DE2908484C2 - Verfahren zur Bildung einer polumschaltbaren m-phasigen Wicklung für ein beliebiges Polpaarzahlverhältnis P↓1↓:P↓2↓ - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung eiiier polumschaltbaren m-phasigen Wicklung für ein beliebiges Polpaarzahlverhältnis p\ :pi mitAnschlüssen an den Anfängen und Enden der aus einzelnen Spulen gebildeten Stränge für die höhere Polpaarzahl pi und Anzapfungen für die niedrigere Polpaarzahl p\ bei Untereilung der einzelnen Stränge in hintereinander und/oder parallelgeschaltete Strangteile.

Es sind entsprechende polumschaltbar Wicklungen für bestimmte Polpaarzahlverhältnisse bekannt, die nach dem Prinzip der »Stromrichtungsumkehr« arbeiten. Solche Wicklungen sind für ein Polpaarzahlverhältnis p, .p₂=l :2 als Dahlanderschaltung z. B. aus der DE-GM 18 05 205 und der DE-OS 20 46 779 sowie für ein Polpaarzahlverhältnis pt : P₂= 1 :4 aus den DE-PS 8 35 480,8 50 920 und 9 53 448 bekannt. Andere Polpaarzahlverhältnisse sind bei den bekannten PAM-Wicklungcn erreichbar, bei denen die Spulenzahl je Pol und Strang zumindest in einer der beiden Polzahlstufen von Pol zu Pol unterschiedlich ist. Dabei müssen bei diesen Wicklungen immer dann, wenn eine der Pol/.ahlen ein Vielfaches der Phasenzahl ist, auch die einzelnen Stränge unterschiedlich aufgebaut sein, wobei eine asymmetrische Polampliludcnmodulation erfolgt. Außer den üblichen ungeradzahligen Duchflutungsoberwellen (■/·= —5, 7, — 11, 13 ...) werden hierbei eine Vielzahl unerwünschter zusätzlicher Oberwellen mit gebrochenen und/oder geraden Ordnungszahlen angeregt. Solche polumschaltbaren Wicklungen haben also eine ungünstige Fcldform. die ihre Anwendung beschränkt.

Wenngleich es bei solchen Dreiphasenwicklungen bekannt ist, mit nur sechs oder höchstens neun Klemmen auszukommen, bleibt deren Einsatz aufgrund der vielfach ungünstigen technischen Eigenschaften beschränkt. So erzeugen z. B. die eingangs genannten im Verhältnis 4 :1 umschaliburcn Wicklungen bei der kleinen Polzahlstu-

H fe besonders störende stark ausgeprägte Obcrfclder. Auch läßt sich mit Stromrichtungsumkehrschaltungen

-f nicht jedes beliebige Polzahlverhältnis erreichen; so ist eine im Verhältnis 3 :1 umschaltbare Dreiphasenwick-

H lung ζ. B. auch als PAM-Wicklung nicht ausführbar. Charakteristisches Kennzeichen der bekannter, auf dem

Il Prinzip der Stromrichtungsumkehr beruhenden Wicklungen ist es, daß zwei gleichartig zusammengesetzte

8 Stranghälften für jeden Strang vorgesehen werden, wobei die zu den Stranghälften gehörigen Spulen in allen

1| bekannten Fällen stets in gleicher Relativlage diametral oder — bei einer sich mehrfach wiederholenden

£i Wicklungsanordnung — symmetrisch zueinander versetzt längs des Maschinenumfangs angeordnet sind. fi Neben dem Verfahren der Poiamplitudenmodulation sind aus der FR-PS 22 32 861 auch Hilfsmittel in Form

t§ von Nutensternen bzw. gleichwertigen tabellarischen Darstellungen zur Bildung von ein- oder mehrstufig

S3 polumschaltbaren Wicklungen bekannt, die auf dem Prinzip der »Stromrichtungsumkehr« basieren. Bei diesen

Ja Wicklungen sind die einzelnen Stränge nach komplizierten, brückenartigen Strukturschematas aufgebaut, wobei

% im allgemeinen mindestens zwölf Klemmen und entsprechend aufwendige Umschalteinrichtungen benötigt

ff werden. Hierdurch wird zwar eine größere Schallungsvielfalt, z. B. die Möglichkeit einer wablweisen Stern- oder

l§ Dreieckschaltung erreicht, jedoch müssen bezüglich der in den einzelnen Polzahlstufen vorhandenen Felderre-

|| gungskurven z.T. noch wesentlich ungünstigere Verhältnisse als bei den bekannten PAM-Wicklungen hinge-

Si nommen werden.

ja Eine andere bekannte Methode zur Polumschaltung besteht darin, daß man die Wicklungszweige umgrup-

ijM piert, d. h. deren Zugehörigkeit zu den einzelnen Strängen verändert Auf diese Weise lassen sich auch dann

?fij vollsymmetrische Dreiphasenwicklungen erzielen, wenn eine der Polzahlen durch drei teilbar ist Hierbei ist

g§ jedoch die Umschaltung im allgemeinen sehr kompliziert; man benötigt zwölf bis fünfzehn Klemmen und eine

Ψξ dementspechend aufwendige Schaltvorrichtung. Lediglich in Ausnahmefällen mit Polzahlkombmationen gemäß

p P₁ 3/w + l

K Pi 3«

Ii

v? lassen sich auch nach diesem Umschaltprinzip einfache Schaltungen mit nur sechs Klemmen ausführen, wenn

'■;i eine in Dreifachstern/Dreifachstern geschaltete Grundwicklung mit galvanisch getrennten Mittelpunkten und

?i zusätzliche, nur in einer Polzahlstufe wirksame Nullzweige vorgesehen werden, wie es Gegenstand der DE-AS

?, 25 06 579. der DE-PS 26 29 642 und der DE-PS 28 42 286 ist

;.^: Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bildung von polumschaltbaren /n-phasigen

Wicklungen nach den eingangs genannten Prinzipien zu schaffen, die für jedes beliebige Polpaarzahlverhältnis : geeignet sind und bei denen in beiden Polzahlstufen verbesserte Feldcrregerkurven, d. h. der Kreisform mög-

\\ liehst angenäherte Görgespolygone uner bestmöglicher Ausnutzung der Wicklung bei beiden Polzahlstufen eine

größere Freizügigkeil und Vereinfachung des Wicklungsaufbau sowie Kleinhaltung der benötigten Klemmen-' zahl erreicht werden. J5

u Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt erfindungsgemäß für Stromrichtungsumkehrschaltungen mit den

■ kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und für Umgruppierungsschaltungen mit den kennzeichnenden

^; * M erkmalen des Anspruchs 2.

i' Die Erfindung beruht dabei auf der Überlegung, von einem Strang einer in beliebiger bekannter Weise

i'^;: gruppierten Wicklung auszugehen, dessen Spulen für die höhere Polpaar/.ahl pi hintereinandergeschaltet sind.

!.' Der betrachtete Strang ist für die kleinere Polpaarzahl p\ wirkungslos, da sich die induzierten Spulenspannungen

vektoriell zu Null summieren, so daß ein solcher Strang \ra der niedrigeren Polzahl p\ ohne Auswirkungen kurzgeschlossen werden darf. Die in Reihe liegenden Spulen eines Stranges werden so aneinandergefügt, daß sie ;■·/■ für die niedrigere Polpaarzahl p\ hinsichtlich ihrer Phasenlage ein möglichst rundes Spannungspolygon bilden,

:';■ das entsprechend F i g. 1 an zwei diametralen oder diesen benachbarten Punkten angezapft werden kann und auf

diese Weise einen Wicklungsstrang für die niedrigere Polpaarzahl p, bildet. Dabei können dessen beide Strang- : teile gleich oder ungleich sein und eine unterschiedliche Zahl von Spulen oder angezapfte Spulen aufweisen,

wodurch jede gewünschte resultierende Phasenlage erreicht werden kann. Die beiden Strangteile bilden bei der Polpaarzahl p\ trotz eines eventuell unterschiedlichen Aufbaues gleichwertige Parallelzweige. Bei erfindungsgemäß nach dem Stromrichtungsumkehrprinzip gebildeten Dreiphasenwicklungen kann daher die Polumschaltung auch bei unterschiedlich strukturierten Parallelzweigen in überraschend einfacher, vorteilhafter Weise bei nur sechs Klemmen in Dreieck/Doppelstern- oder Stern/Doppclstern-Umschaltung bzw. bei acht Klemmen in Stern/Ooppeldreieck-Umschaltung erfolgen.

Analog dazu können auch Schaltungen nach dem Umgrup^ierungsprinzip ausgeführt werden, wobei gemäß F i g. 2 jeweils drei Abschnitte eines Stranges für die höhere Polpaarzahl pi, die für p\ drei um 120° elektrisch versetzte Anzapfungen aufweisen, ein vollständiges Dreiphasensystem für die niedrigere Polpaarzah! p\ bilden. Wenn alle drei Stränge bei der Polpaarzahl p\ phasengleich liegen, können sie untereinander gleichartig zusammengesetzt mit ihren Anzapfungen dreifach paralielgeschaltet werden, wobei die einzelnen Wicklungszweige bezüglich ihrer jeweiligen Zugehörigkeit zu den verschiedenen Strängen umgruppiert (d. h. vertauscht) werden. Bei erfindungsgemäß nach dem Umgruppierungsprinzip gebildeten Dreiphasenwicklungen kann die Polum- ω schaltung in vorteilhafter, einfacher Weise bei neun Klemmen in Dreieck/Dreifachdreieck- oder bei zehn Klemmen in Stern/Dreifachdreieck-Umschaltung erfolgen.

Bei der Bildung einer nach dem Stromrichtungsumkehrprinzip wirksamen polumschaltbaren Wicklung mit Reihenschaltung der Spulen jedes Stranges für die höhere Polpaarzahl p-> legt man den Nutenstern für die kleinere Polpaarzahl p\ zugrunde, aus dem die geänderte Phasenlage der einzelnen Spulen ersichtlich ist. An Hand dieses Nu'ensternes werden unter Beachtung des bei der höheren Polparzahl p₂ vorhandenen Wicklungssinnes die Spulen jedes Stranges so zu Kurzschlußkreisen aneinandergefügt, daß jeweils gleichartige und der Kreisform möglichsi angenäherte Spannungspolygone entstehen. Diese werden an jeweils um 120° elekrisch

gegeneinander versetzten Stellen unterteilt bzw. angezapft, wodurch die Lage der notwendigen Klemmen bzw. Anschlußpunkte festgelegi ist.

Wenn bei Dreiphasenwicklungen die untereinander nicht mehr kürzbaren Werte der beiden Polpaarzahlen p, und pi nicht durch drei teilbar sind, ergibt sich stets eine vollkommene Wicklungssymmeli;ie. da die Spannungspolygone und die resultierenden Spulengruppicrungen aller drei Stränge bei der niedrigeren Polpaarzahl p\ um 120° elektrisch gegeneinander versetzt sind.

Bei einer durch drei teilbaren niedrigeren Polpaarzahl p, sind die Spannungspolygone der drei Stränge bei p, deckungsgleich. Sie lassen sich um 120" elektrisch versetzt aufschneiden, womit sich erne Phasensymmetrie ergibt, jedoch müssen die drei Stränge unterschiedlich gruppiert werden.

ίο Bei Dreiphasenwicklungen mit einer durch drei teilbaren höheren Polpaarzahl pi sind weder die Spannungspolygone noch die Wicklungsgruppierungen für die niedrigere Polpaarzahl p\ untereinander dreiachsig symmetrisch, so daß für die niedrigere Polpaarzahl nur mit innerhalb von Wicklungsspulen angeordneten Anzapfungen eine phasenreine Wicklung erhalten wird.

Bei einer Umgruppicrungsschaltung werden die in gleicher Weise ermittelten Sparrnungspolygone durch Anzapfungen in jeweils drei gleichwertige und um 120" elektrisch zueinander versetzte Abschnitte unterteilt.

In der vorbeschriebenen Weise sind damit die Strängenden als Anschlüsse für die höhere Polpaarzahl pi und die Anzapfungen als Anschlüsse für die niedrigere Polpaarzahl festgelegt.

Bei Dreiphasenwicklungen sind die besagten Spannungspolygonc für die kleinere Polpaarzahl p, mindestens prachsig symmetrisch. Bei einer geraden Polpaarzahl p₂ kann abhängig von der Wicklungsgruppicrung (drei· 2C oder sechEzonig mit gleichen oder unterschiedlichen Zonenbreiten) die ZaI der Symmetrieachsen doppelt oder dreVmaTso gröff scinjetzieres für den Fall, daß eine der Polpaar/ahlen ein Vielfaches der Strangzahl ist.

Bei verschiedenen Polpaar/.ahlvcrhältnissen ist beim Bestimmen der Anschlußcnclcn eine Änderung der Phasenfolge wie bei einer Dahlanderschaltung erforderlich, um in beiden Polzahlstufen ein im gleichen Sinne umlaufendes Drehfeld zu erhalten. Wahlweise unveränderte oder geänderte Phasenfolgen sind immer dann möglich, wenn eine der Polpaarzahlen ein Vielfaches der Sirangzahl ist.

Weitere vorteilhafte Abwandlungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind an Hand einiger, in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispicle nachfolgend näher erläutert. Es zeigt für ein Polpaarzahlverhältnis

Fig.3 einen Nutenstern für 2p? = 6 einer konventionellen öpol^cn dreizonigen Zweischichtwicklung für

N= 18 Nuten,

F ig. 4 einen Nutenstern für 2 p, =2 gemäß F ig. 3, .

Fig.5 Spannungspolygone der drei Stränge der Wicklung nach Fi g.3 und 4 für 2pohgen Betrieb mit den Varianten a.ßund γ zur Anordnung der Anzapfungen,

F i g 6 ein Schaltbild dieser Wicklung für eine Stern/Zweifachstern-Umschaltung mit sechs Klemmen, is F i g. 7 ein Polardiagramm der Felderregerkurven (Görgespolygon) für 2 p, = 2, Variante γ mit Anzapfungen beix=(l/3)· w mit w als Spulenwindungszahl.

F i g. 8 den zugehörigen Stern der Strangströme, der in gleicher Weise für alle nachfolgenden Görgespolygone £?ilt " Fig. 9 Spannungspolygone für drei Stränge für 2 p, =2 mit gegenüber F i g. 5 und 6 vertauschten Strängen U

und V. .

Fig 10 ein Wicklungsschaltbild für eine Stern/Zweifachstcrn-Umschaltung entsprechend F ι g. 9. F i g. 11 ein Görgespolygon der Wicklung nach F i g. 9 und 10 für 2 p, = 2. Variante γ mit Anzapfungen bei

x=(1/3) · w;

für ein Polpaarzahl verhältnis p_>: pi =4 : I

Fig. 12 einen Nutenstern für 2 p, =8 einer konventionellen Spoligen sechszonigen Zweischichtwicklung fur /V= 24 Nuten und q=\ Nut je Pol und Strang.

Fig. 13einen Nutenstern für2 pi = 2. . Fig. 14einSpannungspolygonbei2 p, =2füreinenStrangfiA)mitAnzapfstellennachdenVananten«,/yund>',

F i g. 15 die günstigste Spulenweite W~ 5/6 r, = 10/3 r* Fig 16 ein Spannungspolygon eines Stranges (Uh) bei zwei weggelassenen Spulen bei 2 p\ =2.

F i g. 17 bis 19 Görgespolygone bei 2 p, = 2 für die Varianten η,β,/nach F i g. 14 bei einer Spulenschnttweite 1

bis 11 gemäß F i &. \ 5. .

F i g. 20 bis 22 Schaltbilder von 8/2poligen Dreiphasen-Wicklungen für /V= 24 Nuten mach F ι g. 16, und zwar Fig.20 eine Stern/Zweifachstern-Umschaltung mit neun Klemmen, in der A— B—Csind für 2pi=2 zum zweiten Sternpunkt zu verbinden sind.

F i g. 21 eine Stern/Zweifachstern-Umschaltung mit sechs Klemmen. F i g. 22 eine Stern/Zweifachdreieck-Umschaltung mit acht Klemmen:

für ein Polpaarzahlverhältnis p> :p, = 5 :3

F ig.23 einen Nutcnstern für 2P₂= 10 einer lOpoligen Zweischicht-Bruchlochwickteig fur Λ/=45 Nuten mit

bo q=l '/2 Nuten pro Pol und Strang.

Fig24 einen Nutenstern für 2 p,= 6. der für alle Stränge deckungsgleich ist . .

F Ϊ g. 25 ein Spannungspolygon bei 2 p, = b mit den Varianten λ und β für die Lage ckrAnzapfungen bei einer Stromrichtungsumkehrschaltung. das für alle Stränge deekungsglekh ist (mit Punkt und Sternchen sind die zu V und ^gehörenden Spulen gekennzeichnet). .

_b5 Fig.25 ein zugehöriges Wicklungsschaltbild für eine Drcicck/Zweifachstern-Umschaltung mit sechs Klem-

Vi g 27 ein Spannungspolygon bei 2 p, = 6 mit Lage der Anzapfungen für eine Umgrtippterungsschaitung, F i g. 28 ein zugehöriges Wicklungsschallbild für Dreieck/Dreifachdreieck-Umschaltung mit neun Klemmen.

Eine im Verhältnis 3 :1 polumschaltbar 6/2poligc Zweischicht-Dreiphasenwicklung für N<=18 Nuten mit nur sechs Anschlußklemmen, bei der in beiden Polzahlstufen jeweils die gesamte Wicklung stromdurchflossen ist (alle Spulen aktiv) und gute Felderregerkurven erzielt werden, ist in den F i g. 3 bis 7 dargestellt. Das Wicklungsschaltbild nach F i g. 6 für eine Stern/Doppelsternschaltung zeigt die bpoligc Einspeisung bei U_b, V_b, W_b und die 2polige Einsptisung bei U₂, V₂, W₂ (Ub. K, W₁, sind in diesem Fall zu einem zweiten Sternpunkt verbunden zu denken). Es ist hierbei von einer 2 fn = 6poligen Dreizonenwicklung mit einem Nutenstern nach F i g. 3 ausgegangen. Der Nutenstern nach Fig.4 zeigt die Phasenlage der einzelnen Spulen bei 2 pi-2. Durch Aneinanderfügen der sechs Spulen jedes Stranges, die entsprechend ihrer räumlichen Lage in den Nuten fortlaufend von 1,18 numeriert sind, zu Kurzschlußkreisen an Hand des Nutensternes nach F i g. 4 für 2 p\ = 2 unter Beachtung des bei 2 P2-6 vorhandenen Wickelsinnes solchermaßen, daß bei jedem Strang gleichartige und umfangs- seitig der Kreisform möglichst angenäherte Spannungspolygone entstehen, werden die in der F i g. 5 gezeigten Spannungspolygone für die drei Stränge Ui. V₂, W₂ erhalten. Die Spannungspolygone sind um von 120° abweichende Winkel gegeneinander versetzt, so daß sich hieraus im allgemeinen kein vollkommen symmetrisches Dreiphasensystem bilden läßt.

In Fig. 5 und 6 sind mit ex, βund ^gekennzeichnete Anzapfvarianten bei der 2poligen Stufe für die einzelnen Stränge dargestellt, bei denen die Phasenlage der Stränge zueinander nur angenähert 120° (Varianten ec und ß) oder genau 120° (Variante y) ist. Der Strang V ist in allen Fällen mitiig zwischen den beiden Spulen 3 und 4 angezapft. Dagegen liegen die Anzapfungen beim Strang U gemäß Variante λ um eine volle Spule zum gemeinsamen Sternpunkt hin verschoben zwischen den Spulen 7 und 2 und beim Strang W um eine volle Spule vorn gemeinsamen Siernpunki weg ver&chubcn /wischen den Spulen iS und 5.

Bei der Variante β ist bezogen auf die Anzapfung nach Variante λ im Strung U die vom Sternpunkt gesehen dahinteriiegende Spule 7 und im Strang Wdie davorliegcnde Spule 18 mittig angezapft.

Im phasensymmetrischen Fall der Variante γ sind die Anzapfungen der besagten Spulen bei der 2 · sin 10° "03473, d. h. =» '/.jfachen Spulenwindungszahl angeordnet. Der Strang V ist in allen drei Varianten genau mittig angezapft. Diese Variante ergibt bei einer Spulenschrittweite von 1 bis 10 eine sehr gute Felderregerkurve mit einem entsprechend der Kreisform nahekommenden Görgespolygon nach F i g. 7. Hierbei zählt die Durchführung einer vollen Spulenseite jeweils drei Rastereinheiten im Dreiecksnetz und die Anzapfungen liegen bei X"(\/3)w, wobei ivdie Spulenwindungszahl bedeutet.

Den zugehörigen Stern der Strangströme für ein rechtsgängiges Dreiphasensystem zeigt Fig.8. Die hierdurch festgelegte Zählrichtung gilt in gleicher Weise auch für die Görgespolygone der nachfolgenden Beispiele. jo

Wenngleich bei Variante ex die Unterschiede in den Strangspannungen 4,8% betragen und Phasenwinkel von 1jö°, 130° und 100° auftreten (Tab. I), ist diese einfachste Ausführung zumindest für Maschinen kleinerer Leistung gut geeignet. In allen Varianten ec,ß,y werden im 2poligen Betrieb die beiden Stränge U und Win zwei ungleiche Teile unterteilt, so daß im 2poligen Betrieb jeweils Wicklungszweige mit unterschiedlichen Windungsbzw. Spulenzahlen parallelgeschaltet sind, die jedoch hinsichtlich der induzierten Spannungen völlig gleichwer- js tig sind.

Vorzugsweise sind für beide Polzahlen ungesehnte Spulenweiten VV= η =3 r> mit einem Spulenschritt 1 bis !Q vorgesehen, wobei sich ein Flußdichtsverhä'.inis bei Stern/Dcppelstern-Urrsschallung von

■1 .1 00
B₆ZB₂ = 3 (W₂- J₂V(W₆ · l_b) - - 1,085 ergibt.

Je besser die erreichbare Phasensymmeirie ist, desto oberwellenärmer wird die Wicklung und desto mehr an die Kreisform angenähert ist ihr Görgespolygon. Da die einzelnen Stränge bei 2 p\ =2 (U₂, V₂, W₂) unterschiedlich aufgebaut sind, ist auch das zugehörige Görgespolygon nach Fig.7 nur zweiachsig symmetrisch. Im 2 p2=6poligen Betrieb der Wicklung ergibt sich als Görgespolygon dagegen ein regelmäßiges Sechseck.

Im vorgenannten Beispiel ist die Phasenfolge der einzelnen Stränge in beiden Polzahlstufen gleich: sowohl ίΛ, V₆, W₆ als auch U₂, V₂, W₂ bilden gemäß den F i g. 3 bis 6 ein rechtsläufiges Dreiphasensystem.

Eine unterschiedliche Phasenfolge läßt sich erreichen, wenn gegenüber den F i g. 5 und 6 die Anzapfungen der Stränge U und W vertauscht und entsprechend versetzt angeordnet werden, wie dies in den Fig.9 und 10 angedeutet ist Die analog möglichen Varianten sind wiederum mit .1·, ß, y gekennzeichnet Das zugehörige Görgespolygon für Variante γ mit Anzapfungen bei x=:v/3 und Spulenschrittweite l bis 11 ist in Fig. 11 dargestellt

Eine Zusammenstellung der interessierenden Daten der effektiven Strangwindungszahl und der Phasenwinkel bei 2 pi = 2 enthält die Tabelle I.

Zusätzliche Abwandlungen mit ebenfalls nur geringen Unsymrnetrien lassen sich bei den Fig.6 und 10 ausgehend von der vollsymmetrischen Variante y durch eine gleichsinnige Verschiebung der Anzapfungen für die 2polige Stufe in den Srängen i/und Wund eine dazu gegensinnige Verschiebung der Anzapfung im mittleren Strang Verzielen.

Statt der in F i g. 3 gezeigten dreizonigen Wicklungsgruppierung kann bei der höheren Polzahl 2 P₂ auch eine übliche sechszonige Wicklungsverteilung vorgenommen werden. Anaolg sind im Verhältnis 3 :1 polumschaltbare Dreiphasenwicklungen auch für andere Nutzahlen ausführbar.

In den Fig. 12 bis 19 sind 2p2 :2pi=8/2po!ige dreiphasige Zweischichtwicklungen für N=24 Nuten nebst Spannungs- und Görgespolygonen gezeigt

Ausgehend von einer üblichen, d.h. sechszonigen Wickanordnung für 2p?=8 mit einem Nutenstern nach Fig. 12 und

q_t » = 1 Nut pro Pol und Strang

3 * 8

ergibt sich bei 2 p\ = 2 ein Nutenstern nach F i g. 13. Schaltet man die Spulen der drei Stränge entsprechend der bereits einleitend an Hand der Fig. 1 genannten Weise in Reihe, dann bilden die bei 2pi = 2 induzierten Spulenspannungen geschlossene, für jedenStrang reguläre Achtecke nach Fig. 14 (für Strang U). Die nicht dargestellten beiden anderen Achtecke der beiden Stränge Vund W sind jeweils um 120° elektrisch versetzt zu denken. Für die Polzahl 2 p\ können die Anzapfungen gemäß Variante λ symmetrisch unterteilt sein (vier plus

ίο vier Spulen), oder gemäß Variante/unsymmetrisch unterteilt sein (fünf plus drei Spulen) oder gemäß Variante γ symmetrisch unterteilt sein mit Mittelanzapfungen an den Spulen 7 und 19.

Eine günstige Felderregerktirve läßt sich bei einer Spulenweite von VV-5/6 · Ti = IO bzw. 10/3 · Vi~ 10 gemäß Fig. 15, d. h. bei einem Spulenschritt 1 bis 11 erzielen. Die sich dabei im 2poligen Betrieb ergebenden Görgespolygone sind für Variante λ in Fig. 17, für Variante /in Fig. 18 und für Variante ^in Fig. 19 dargestellt.

Die Oberwellenfaktoren

betragen bei Variante λ nur 1.125% und bei Variante ;· nur (ij6i"io. Die Varianten λ und γ weisen nahezu kreisrunde 6achsige Görgespolygone nach Fi g. 17 bis 19 auf. Die Variante/ergibt bei gleichgroß angenommenen Zweigströmen in den Parallelpfadcn der einzelnen Stränge ein nur 3achsig symmetrisches Görgespolygon nach F i g. 18, d. h. es treten geradzahlige Durchflutungsoberwellen auf. In Wirklichkeit wird jedoch die Felderregerkurve wesentlich günstiger, da die geradzahligen Harmonischen durch Ausgleichströme in den Paraltelzwei- _ gen abgedämpft werden. Das Görgespolygon für die Pol/.ahl 2 pi — 8 ist in allen Fällen ein reguläres Sechseck.

Die Varianten / und γ können vorteilhafierweise so abgewandelt werden, daß die gemäß Fig. 14 quer zur Resultierenden liegenden Spulen 7 und 19 im 2poligen Betrieb gemäß F i g. 16 entfallen.

Bei unveränderter effektiver Windungszahl und einer günstigen Feldform nach Fig. 19 können auf diese Weise die Kupferverluste im 2poligcn Betrieb um 25% verringert werden. Die Schaltung bedarf aber einer größeren Zahl von Klemmen (Fig. 20) oder Spulen mit unterschiedlichen Windungszahlen (F i g. 21 und 22).

Dabei sind nach F i g. 20 bei durchwegs gleichen Spulen neun Klemmen für eine Stern/Doppelstern-Umschaltung notwendig. Im 8poligen Betrieb ist die gesamte Wicklung, im 2poligen Betrieb sind nur dreiviertel der Spulen aktiv. Der 8polige Anschluß erfolgt bei Lk. V», VV₈ und der 2polige Anschluß bei Lh, Vj, W₂, wobei die Klemmen A, B. C zu einem zweiten Sternpunkt verbunden werden. Das Luftspalt-Flußdichteverhältnis beträgt hierbei B₂/* = 0,743.

Werden die bei 2pi=2poligem Betrieb stromlosen Spulen mit dreifacher Windungszahl wie die übrigen Spulen ausgeführt, dann können sie gemäß den F i g. 21 und 22 als mit Sternchen gekennzeichnete »Nullzweige« ausgeführt und parallel zu den übrigen Spuien angeordnet sein. Auf diese Weise ist nach F i g. 21 eine Stern/Doppelstern-Umschaltung wie üblich mit nur sechs Klemmen durchführbar. Das Flußdichteverhältnis BJBt beträgt 0,557.

Eine vergleichbare Wicklung für eine Doppeldreieck/Stern-Umschaltung zeigt F i g. 22. Der 2polige Anschluß erfolgt bei den Klemmen A — B—C sowie C-D- H Und E-F. die jeweils zu verbinden sind, der 3polige Anschluß an A — B—C. wobei G—H miteinander verbunden sind. Hierbei beträgt die Flußdichterelation 02/08=0,965. Die Görgespolygone sind für die verschiedenen Schaltungen (F i g. 20 bis 22) gleich. Sie haben für 2 P₁ = 2 die in F i g. 19 gezeigte Form; bei 2 p>=8 ergibt sich ein regelmäßiges Sechseck.

Alle im Verhältnis p\ :p2=1 :4 polumschaltbaren Dreiphasenwicklungen nach der Erfindung ergeben wesentlich oberwellenärmere Felderregerkurven als die angeführten bekannten Schaltungen.

Zur Demonstration der vielfältigen allgemeinen Anwendbarkeit der Erfindung werden abschließend noch 10/6polig umschaltbare dreiphasige Zweischichtwicklungen für /V=45 Nuten erläutert, wobei gemäß den in F i g. 23 gezeigten Nutenstern für 2 pj = 6 von einer üblich angeordneten 10poligen Zweischicht-Bruchlochwicklung mit

45
q = ———— = 1,5 Nuten pro Pol und Strang

3 " 10

ausgegangen wird.
Für die Polzahl 2pi=6 erhält man den in Fig.24 gezeigten Nutenstern. Die Spuien der einzelnen Stränge

nehmen alle möglichen Phasenlagen ein, so daß drei deckungsgleiche Sterne gebildet werden. Als Spannungspolygon ergibt sich nach F i g. 25 ein Sachsig symmetrisches Fünfzehneck, aus dem die Lage der Klemmen für

1 Opoligen und der Anzapfungen für 6poligen Betrieb für eine Stromrichtungsumkehrschaltung in der mit« und/

■gekennzeichneten Weise bestimmt werden kann. ;■■

Die in den F i g. 24 und 25 mit Sternchen bzw. Pünktchen gekennzeichneten Spulennummern deuten auf die

Zugehörigkeit zu den Strängen V(Pünktchen) und W(Slcrnehcn) hin. Das Wicklungsschaltbild für eine Dreicck/Doppclstern-Umschaltung mit gleicher Phasenfolge in beiden Polzahlstufen ist in F i g. 26 gezeigt In analoger Weise ließe sich die Wicklung auch mit geänderter Phaseniclge ausführen. Beim Schaltbild nach Fig.26 müßten hierzu nur die Klemmen Vi₀ mit Wi₀ vertauscht und die Spulenbezifferung entsprechend ihrer Strangzugehörigkeil abgeändert werden.

Die beiden Varianten α und β unterscheiden sich im wesentlichen nur dadurch, daß bei der Variante β drei Spülen mittig angezapft sind, dagegen bei Variante r. die Anzapfung jeweils um eine halbe Spule nach rechts versetzt zwischen zwei Spulen erfolgt.

Die wirksame Strangwindungszahl bei Variante/?isl mit

(w= Windungszahl einer Spule) etwas kleiner als bei der Variante λ.

Bei beiden Varianten sind alle drei Stränge wiederum unterschiedlich unterteilt, wobei die parallelen Strang- :ö teile bei Variante α in den Strängen U und Vaus sieben plus acht Spulen und im Strang W aus sechs plus neun Spulen bestehen. Bei der Variante/?verschiebt sich die Aufteilung um jeweils eine halbe Spule auf sechseinhalb plus achteinhalb Spulen in den Strängen LJ und Wund auf siebeneinhalb plus siebeneinhalb Spulen in Strang V. Ungeachtet dessen sind alle drei Stränge in beiden Fällen hinsichtlich der Spannungsamplituden und der Phasenwinkel gemäß F i g. 25 vollkommen symmetrisch.

Wenn man in Fig.23 von einer lOpoligcn Dreizonenwicklung mit jeweils drei nebeneinanderliegenden gleichsinnig stromdurchflossenen Spulenseiten ausgeht, dann ergibt sich ein an Stelle von F i g. 25 regelmäßiges Fünfzehneck als Spannungspolygon. Die drei Stränge können dabei gleich unterteilt sein, z. B. überall in acht plus sieben Spulen (Variante a) oder siebeneinhalb plus siebeneinhalb Spulen (Variante ß). Die effektiven Sirangwir.dungszahlen bei 2 p, = 6 entsprechen unverändert denen nach F i g. 25. iö

Die an Hand der Fig.23 bis 26 erläuterte polumschaltbar Dreiphasenwicklung nach dem Prinzip der Stromrichtungsumkehr kann gemäß den F i g. 27 und 28 auch als Umgruppierungsschaltung, bei der die Polygone in jeweils drei gleichwertige und um 120° elektrisch zueinander versetzte Abschnitte unterteilt sind, ausgeführt werden.

Das Spannungspolygon nach F i g. 25 bleibt an sich unverändert und wird nach F i g. 27 an drei symmetrisch liegenden Punkten angezapft. Wie F i g. 27 zeigt, sind hierzu ir· den Strängen L4 und V₆ Anzapfungen bei der x=0,1729» =· l/6fachen Spulenwindungszahl vorzusehen. Im 6poligen Betrieb umfassen dann die drei Parallelzweige der einzelnen Stränge jeweils vier plus fünfsechstel Spulen in den Strängen Ut und W₆ sowie fünf plus zweimal einsechstel Spulen bei Strang Vb. Das zugehörige Schaltbild für eine Dreieck/Dreifachdreieck-Umschaltung ist in F i g. 28 gezeigt. Der lOpolige Anschluß erfolgt an den Klemmen A — B—C, der 6polige Anschluß an den Klemmen /l—ß—Csowie D—E—Fund C-H-J, die jeweils entsprechend zu verbinden sind.

Auch in diesem Fall kann alsAusgangsgruppierung eine lOpolige Dreizonen-Wicklung statt der in Fig.23 dargestellten Wicklung dienen, was insofern noch von weiterem Vorteil ist, als dann vollkommen regelmäßige fünfzehneckige Spannungspolygone zur Verfügung stehen. Diese können auf einfache Weise nach jeder fünften Spule angezapft werden, was Anzapfungen innerhalb der Spulen entbehrlich macht. Man erhält dann in beiden Polzahlstufen eine vollkommen symmetrische dreizonigc Wicklungsverieilung.

In der Tabelle II sind die bei den verschiedenen Varianten erreichbaren Wicklungsfaktoren, die effektiven Strangwindungszahlen und die LuftspaU-FluBdichteverhältnissc zusammengefaßt.

Wie an Hand der verschiedenen Beispiele gezeigt wurde, ist die erfindungsgemäße polumschaltbar Wicklung universell, d. h. für beliebige Polzahlkombinationen einsetzbar und vielfällig ab\ -andelbar. Gegenüber den bisher bekanntgewordenen Stromrichtungsumkehrschaltungen bestehen folgende Unterschiede und vorteilhafte Abwandlungsmöglichkeiten.

So können die Parallelzweige für p\ gemäß Fig. 1 mit unterschiedlichen Spulen- bzw. Windungszahlen ausgeführt sein. Dabei können dieAnzapfungen auch innerhalb einzelner Wicklungsspulen oder Spuleng" lippen vorgesehen sein, wodurch sich jede gewünschte resultierende Phasenlage erreichen läßt.

Ist das Spannungspolygon für p\ polarsymmetrisch, dann können alternativ zu Mittelanzapfungen in der niederpoligen Stufe auch die betreffenden diametral zueinander liegenden Spulen oder Spulengruppen weggelassen werden. Als Vorteile ergeben sich hierdurch geringere Kupferverluste, da die ansonsten bifilar durchfluteten, angezapften Wicklungsteile stromlos bleiben. Außerdem wird gegenüber einer Ausführung mit mittig angezapften Spulengruppen gleichzeitig auch die Felderregerkurve verbessert. Als Nachteil muß allerdings eine y etwas kompliziertere Wicklung in Kauf genommen werden, die entweder drei zusätzliche Klemmen (Fig. 20) oder unterschiedliche Spulenwindungszahlen (F i g. 21,22) benötigt.

In analoger Weise sind auch UmgruppierungsschaUungen (gemäß F i g. 2) ausführbar. Solche Dreiphasenwicklungen in Dreieck/Dreifachdreieck oder Stern/Dreifachdreieck-Schaltung sind allerdings im allgemeinen nur bei einer durch drei teilbaren Polpaarzahl p\ möglich. Wegen des größeren Windungszahlunterschiedes eignen sie sich insbesondere für höhere Polzahlspreizungen und Antriebe mit quadratischen Gegenmoment/ Drehzahlverlauf (Lüfterkennlinie) — vgl. Tabelle II.

TabeHel

Variante

Lage der Anzapfungen

ETTektive Strang« indungszah!

als Vielfaches der Spulenwindungszahl Stränge U. W Strang V

Phasenwinkel bei Ausführung nachFig.5 und

φι iw Phasenwinkel bei Ausführung ■ nach Fig.9und IO

φυν= 9>vw

Tabelle II

Jt=O 13696 !£794 130° 100° 110° 140°

X=V₂ 13590 1,8794 11536° 129,28° 124,64° 110,72°

x=2sinlO 13794 13794 120° 120° 120° 120° -V₃

Spaten- 2p2=10 schritt Wicklungsfaktor

Ausführung bei Dreigemäß zonen-

F ig. 21 wicklung

2p\ =6 LufispallfluBdichtcrclationcn Ä/ßio*)

Sehnungs- J/}^s

faktor Slromrichlungsumkchrschaltung

>st. nach Fig.24 lOpolige Drci-

/oncnwicklung

(λ) (Λ (■») ΙΛ

1-5 0545 0331 0.743 1382 1389 1,245 1222

1-6 0545 0331 0366 1.186 1,192 1.043 1,048

1-7 8331 0.731 0.951 0549 0355 0.835 0339

1-8 0.617 0595 0595 0.674 0.678 0393 03%

/U/P	lOpoL
	Dreizonen
Umgruppierungsschaltung	wicklung
nach	W
Fig. 26	2,417
	2,074
Oi	1,661
2.817	1,179
2.418
1536
1374

*) Die effektiven Strangwindungszahlen w_t 4 betragen jeweils:

bei (α):

2 sin

■ 4.783 &; bei W): ^-^-4,757^;

bei (,): 4,063 i_j6; bei(<5):

4.165 U-

Hierzu 9 BIaU Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bildung einer polumschaltbaren m-phasigcn Wicklung für ein beliebiges Polpaarzahlverhältnis p\ ι pz mit Anschlüssen an den Anfängen und Enden der aus einzelnen Spulen gebildeten Stränge für die höhere Polpaarzahl pi und Anzapfungen für die niedrigere Polpaarzahl p\ bei Unterteilung der einzelnen Stränge in hintereinander und/oder parallelgeschaltete Strangteile, dadurch gekennzeichnet, daß für die Stromrichtungsumkehrschaltung von beliebig gruppierten Spulen für die höhere Polpaarzahl pi die Spulen jedes Stranges entsprechend dem Nutenstern für die niedrigere Polpaarzahl p\ unter Beachtung des für die höhere Polpaarzahl pi geltenden Wickclsinnes zu Kurzschlußkreisen mit möglichst kreisförmigen

ίο Spannungspolygonen zusammengeschaltet werden und jeder Strang an zueinander um (2 jtlmf el versetzten Punkten seines Spannungspolygons entsprechenden Stellen durch Anschlußstellen für die niedrigere Polpaarzahl p_t so unterteilt wird, daß wenigstens zwei Stränge bei der niedrigeren Polpaarzahl p\ unterschiedliche Parallelzweige aufweisen und/oder einzelne Spulen mindestens teilweise durchflutungsfrei sind (Fig. 1,5,6.9.10.25,26).

2. Verfahren zur Bildung einer polumschalibaren m-phasigen Wicklung für ein beliebiges Polpaarzahlverhältnis pi: pi mit Anschlüssen an den Anfängen und Enden der aus einzelnen Spulen gebildeten Stränge für die höhere Polpaarzahl pt und Anzapfungen für die niedrigere Polpaarzahl p\ bei Unterteilung der einzelnen Stränge in hintereinander und/oder parallelgeschaltete Strangteile, dadurch gekennzeichnet daß für die Umgruppierungsschaltung von beliebig gruppierten Spulen für die höhere Polpaarzahl p> die Spulen jedes Stranges entsprechend dem Nutenstern für die niedrigere Polpaarzahl p\ unter Beachtung des für die höhere Polpaarzate {% geltenden Wickelsinnes zu Kurzschlußkreisen mit möglichst kreisförmigen Spannungspolygonen zusaiHmengeschaltet werden und jeder in sich geschlossene Strang an jeweils m gegenseitig um (2 nlmf el versetzten und bei der niedrigeren Polpaarzahl pt phasengleichen Punkten seines Spannungspolygons entsprechenden Stellen durch Anschlußstellen für die niedrigere Polpaarzahl p\ angezapft wird (F ig. 2.27,28).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der Anschlußstellen für die niedrigere Polpaarzahl p\ aus Anzapfungen innerhalb von Spulen gebildet werden (F i g. 5,6; 9,10; 25, 26;27,28).

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die m Stränge hinsichtlich der Lage der Anzapfungen für die niedrigere Polpaarzahl p\ und/oder bezüglich der Zahl der Spulen der jeweiligen Parallelzweige bei der Polpaarzahl p\ unterschiedlich ausgebildet werden (F i g. 5,6; 9,10; 25,26; 27,28).

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem Strang zwei symmetrisch zueinander liegend; und im Syannun^spolygon für die niedrigere.Polpaarzahl p\ quer zur Resultierenden aufscheinende Wicklungsteile bei-der niedrigeren Polpaarzahl p\ stromlos gehalten werden (F i g. 14).

6. Verfahren nach Anspruct. 5. dadurch gekennzeichnet, daß die bei der niedrigeren Polpaarzahl p\ stromlosen Wicklungsteile bei der höheren Polpaarzahl pi zu den übrigen Spulen der Stränge jeweils in Reihe geschaltet werden (F i g. 20).

7. Verfahren nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß die bei der niedrigeren Polpaarzahl p\ stromlosen Wicklungsteile aus Spulen mit höherer Windungszahl gebildet und bei der höheren Polpaarzahl pi den übrigen Spulen der belrcf fcnden Stränge jeweils parallelgeschaltet werden (F i g. 21,22).

8. Verfahren nach Anspruch I für eine Dreiphasenwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß die Polumschaltung bei sechs Klemmen in Dreieck/Doppelstern- (Fig.26) oder Stern/Doppelstern-Umschaltung (Fig.6. 10,21) bzw. bei acht Klemmen in Stern/Doppeldreieck-Umschaliung (F i g. 22) erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polumschaltung bei neun Klemmen in Dreieck/Dreifachdrcieck- (Fig. 28) oder bei zehn Klemmen in Stern/Dreifachdreieck-Umschaltung erfolgt.