DE2913612C2

DE2913612C2 - Ruhender magnetischer Frequenzvervielfacher

Info

Publication number: DE2913612C2
Application number: DE2913612A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dipl.-Ing. Benecke; Heinz Dipl.-Ing. 8740 Bad Neustadt Rosenberg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1979-04-04
Filing date: 1979-04-04
Publication date: 1982-06-16
Also published as: DE2913612A1; US4390941A; JPS55133679A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen ruhenden magnetischen Frequenzvervielfacher, der einen geschlossenen magnetischen Kreis bildende geblechte Eisenkörper und eine in Nuten verteilte mehrphasige Primärwicklung der Polpaarzahl pt sowie eine mit dieser magnetisch gekoppelte Sekundärwicklung aufweist, deren Polpaarjahl P₂ ein ungeradzahliges Vielfaches der Polpaarzahl p\ der Primärwicklung ist, bei welchem Vervielfacher ferner ein Teilbereich der Eisenkörper durch das von der Primärwicklung bei Speisung mit der primären Nennspannung bei Nennfrequenz erzeugte Magnetfeld gesättigt ist

Ein solcher Frequenzvervielfacher ist durch die GB-PS 6 30 289 bekannt Dieser Frequenzvervielfacher ist so aufgebaut, daß eine Sättigung in der zwischen einem inneren zylindrischen und einem äußeren ringförmigen Rückschlußteil gelegenen Nut-Zahnschicht auftritt. Durch eine solche Sättigung in der Nut-Zahnschicht ergibt sich eine ausgeprägte trapezför mige, im Grenzfall sogar annähernd rechteckförmige Verteilung der Flußdichte über der Polteilung, wie dies auch in F i g. 1 dieser Patentschrift dargestellt ist Eine solche Form der Flußverteilung besteht aus einer Grundharmonischen und deren höheren Harmonischen

■♦5 ungerader Ordnungszahl. Die Amplitude der Harmonischen ist hierbei — unter Voraussetzung einer rechteckförmigen Verteilung der Flußdichte — höchstens ihrer jeweiligen Ordnungszahl umgekehrt proportional. Dies bedeutet ein entsprechend starkes Absinken der Windungsspannungen höherer Frequenz, was letztlich eine geringe Ausnutzung und beträchtliche Wicklungsverluste zur Folge hat Da bei dem bekannten Frequenzvervielfacher die Sekundärspule jeweils nur einen Zahn umfaßt, werden außer der gewünschten

Spannung höherer Frequenz auch noch Spannungen mit

anderen Frequenzen induziert. Dies führt zu einem starken Abweichen der Sekundärspannung von der Sinusform.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen

μ Frequenzvervielfacher der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß er bei höheren Frequenzen wesentlich höhere Windungsspannungen liefert und damit weniger Raum beansprucht, ein geringeres Gewicht aufweist und einen besseren Wirkungsgrad besitzt.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt nach der Erfindung dadurch, daß der gesättigte Teilbereich im Rückschlußweg (Joch) vorgesehen und die Primär- und

Sekundärwicklungen mittels an sich bekannter Maßnahmen so ausgebildet sind, daß an den Klemmen der Primärwicklung praktisch nur von der Grundharmonischen eines Feldes der Polpaarzahl p\ eine Spannung und von der gleichen Grundhannonischen sowie den von der Polpaarzahl pi abweichenden Harmonischen an den Klemmen der Sekundärwicklung keine Spannung induziert werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher e. läutert

Fig. 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel in schematischer Darstellung.

Fig.3 zeigt die durch magnetische Sättigung im Rückschlußweg erzielbare räumliche Flußdichte-Verteilung und ihre Zerlegung in Harmonische.

F i g. 4 zeigt ein Beispie! der Schaltung einschließlich eines angeschlossenen Motors.

Fig.5 und 6 zeigen Maßnahmen zur Dämpfung unerwünschter parasitärer Magnetflüsse

Fig.7 stellt ein Ausführungsbeispiel mit Ringwicklung und

F i g. 8 den Zusammenbau mit einem Asynchronmotor dar.

Fig.9 zeigt die sogenannte rechteckige Hystereseschleife von an sich bekannten Werkstoffen, die aufgrund dieser Schleifenausbildung für eine erfindungsgemäße Anwendung besonders geeignet sind.

Fig. 10 und 11 stellen schematisch ein Ausführungsbeispiel mit Ringwicklung dar, das nach dem Wanderfeldprinzip arbeitet

Beim Frequenzvervielfacher nach den F i g. 1 und 2 ist die Primärwicklung 1 in Nuten 3 am Außenumfang eines zylindrischen Blechpaketes 5 und die Sekundärwicklung 2 in korrespondierenden Nuten 4 am Innenumfang eines hohlzylindrischen Blechpaketes 6 untergebracht Diese Ausführung ist für die Herstellung der Wicklungen, ferner bei hohen Spannungen sowie zwecks Verbesserung bei Abfuhr der Verlustwärme besonders vorteilhaft Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die magnetische Sättigung erfindungsgemäß in das Joch von mindestens einem der Blechpakete 5 bzw. 6 (in den F i g. 1 und 2 in beide) verlegt Um dem Austritt von die Sättigung vermindernden, also parasitären Streuflüsseii entgegenzuwirken, sind an den gesättigten Jochen erfindungsgemäß massive Dämpfungskörper 7 und 8 vorgesehen, die aus einem amagnetischen Werkstoff guter elektrischer Leitfähigkeit, insbesondere einem Leichtmetall, bestehen.

Die mehrphasige Primärwicklung 1 hat die Polpaarzahl pi (vorzugsweise p, - 2 oder 4) und ist erfindungsgemäß mittels an sich bekannter Maßnahmen — z. B. Zusammenschaltung der Wicklungsstränge, Sehnung, Strangverschachtelung, Abstufung der Leiterzahlen je Nut, Nutschränkung — so ausgeführt, daß praktisch nur die Grundharmonische eines Drehfeldes der Polpaarzahl pi eine Spannung an ihren Klemmen induzieren kann (sogenannte oberwellenfreie Wicklung). Unter Voraussetzung einer Sinusform der die Primärwicklung 1 speisenden Netzspannung führt eine solche Wicklung auch bei hoher Eisensättigung nur sinusförmige Magnetisierungsströme, die eine räumlich sinusförmig verteilte Drehdurchflutung erzeugen.

In Fig.3 ist die ausgeprägte nichtsinusförmige Verteilung der Flußdichte Bl des Drehfeldes über der Polteilung t_p \ dargestellt, die bei Jochsättigung entsteht, Die Flußdichte Bi ist jeweils über eine Nutteilung gemittelt Ein solches Drehfeld enthält neben der Grundharmonischen mit der Flußdichte Bl ι ausgeprägte höhere Harmonische ungerader Ordnungszahl, von denen hier beispielsweise die dritte Harmonische mit dem Flußdichtenverlauf Bl2 und der Polteihing t_pz = fpi/3 eingezeichnet ist Diese Harmonische weist die 3fache Polzahl der Primärwicklung 1 auf (pi = 3 pi), rotiert jedoch mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Grundharmonische. Sie induziert daher in der ein- oder mehrphasigen Sekundärwicklung 2, die erfindungsgemäß die Polpaarzahl pi aufweist, die 3fache Primärfrequenz. Die Sekundärwicklung 2 ist so gestaltet, daß sie von der Grundharmonischen der Polpaarzahl p\ nicht induziert werden kann — bei den meisten üblichen Wicklungen ist dies von vornherein der Fall —, vorteilhafterweise aber auch die anderen Harmonischen des gesättigten Drehfeldes (Polpaarzahlen ρ Φ pi) ihre Klemmenspannung praktisch nicht beeinflussen können. Dies ist mit den im Zusammenhang mit der Primärwicklung erwähnten bekannten Maßnahmen erreichbar. Die Ausführung mit Jochsättigung hat den Vorteil, daß mit dem Jochquerschnitt die Breite S(F i g. 3) des steilflankigen Drehfeldteiles im Verhältnis zu Polteilung t_p \ der Primärwicklung 1 variiert und damit der Anteil der Oberwelle gewünschter Ordnung optimiert werden kann.

Erfindungsgemäß können auch andere Harmonische des Drehfeldes als in F i g. 3 dargestellt — z. B. die fünfte oder siebente — zu einer ihrer Ordnungszahl entsprechenden Frequenzvervielfachung herangezogen werden.

In Fig.4 ist ein Schaltungsbeispiel dargestellt Die dreiphasige Primärwicklung ist zweckmäßig im Stern geschaltet, da dann in ihren Strängen Spannungsoberschwingungen, deren Ordnungszahl durch drei teilbar ist, induziert werden dürfen, ohne in den Anschlußklemmen aufzutreten. Auch bei der Sekundärwicklung 2 erleichtert die Sternschaltung die Wicklungsauslegung. Die Ständerwicklung 9 eines angeschlossenen Motors kann beliebig geschaltet sein. Um das Netz von der Magnetisierungsblindleistung zu entlasten, die der Primärwicklung 1 zugeführt werden muß, können erfindungsgemäß Kondensatoren 10 zu dieser Wicklung parallel geschaltet sein. Durch erfindungsgemäßen Anschluß von weiteren Kondensatoren 11 an die Sekundärwicklung 2 wird diese vom Motorblindstrom entlastet, was einerseits die Wicklungsverluste vermindert und andererseits eine Spannungsstützung bewirkt.

Um Magnetflüsse in den Nuten, die eine Sättigung des Joches vermindern, wegzudämpfen, sind erfindungsgemäß gegenüber den Zähnen isolierte Dämpfungseinlagen 23 nach Fig.5 vorgesehen, die aus einem amagnetischen Werkstoff guter elektrischer Leitfähigkeit — vorzugsweise Kupfer oder Aluminium — bestehen.

D'".: Sättigung eines ungenu'eten Blechpaketes kann durch parasitäre Magnetflüsse quer durch Nut und Zahnkopf verringert werden. Um solciie Flüsse zu dämpfen, sind erfindungsgemäß gegenüber den Zähnen isolierte metallische Nutverschlußkeile 24, wie in F i g. 6 dargestellt, vorgesehen.

Ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine beträchtliche Wickelkopfausladung einer niederpoligen Primärwicklung vermieden und gleichzeitig eine gute Ausnutzung erzielt wird, ist in F i g. 7 dargestellt Dort sind eine Primärwicklung 18 und eine Sekundärwicklung 19 als Ringwicklung ausgeführt und auf einem außen und innen mit gleicher Nutenzahl versehenen ringförmigen Blechpaket 20 angeordnet. An den Stirnseiten dieses Blechpaketes sind zur Dämpfung von

SireuflUssen die vorzugsweise aus Leichtmetall bestehenden massiven Dämpfungskörper 7 und 8 vorgesehen. Es entstehen hier zwei Drehfelder, die sich im loch des Blechpaketes 20 vereinigen und in einem in der öffnung des ringförmigen Blechpaketes 20 angeordneten inneren Blechpaket 21 bzw. in einem das Blechpaket 20 umschließenden Süßeren Blechpaket 22 ihren Rückschlußweg rinden.

F i g. 8 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vereinigung des Frequenzvervielfachers mit einem von ihm gespeisten Asynchronmotor. Die Blechpakete 25 und 26 mit den Primär- bzw. Sekundärwicklungen 27 und 28 sind im Gehäuse 29 des Motors untergebracht, dessen Ständerwicklung 9 in Nuten des hohlzylindrischen Blechpaketes 26 angeordnet und an die Sekundärwicklung 28 angeschlossen ist.

Bei einer vorteilhaften Variante der Erfindung bestehen die Blechpakete oder zumindest die zur Sättigung vorgesehenen Teile derselben aus einem Werkstoff mit rechteckiger Hystereseschleife gemäß F i g. 9 und die magnetischen Vorzugsrichtungen, denen diese Schleife zugeordnet ist, sind in der Sättigungszone zumindest näherungsweise in die Richtung des magnetischen Kraftlinienverlaufes verlegt. Da die völlige Sättigung derartiger Werkstoffe bereits bei sehr geringer Feldstärke eintritt, ergibt sich einerseits eine sehr kleine primäre Blindleistung des Frequenzvervielfachers und damit eine Einsparung an Wicklungsverlusten und leichte Entbehrlichkeit von phmärseitig angeschlossenen Kondensatoren (10 in F i g. 4), andererseits können Maßnahmen zur Dämpfung von sättigtingsvermindernden parasitären Magnetflüssen entfallen.

Bei den in den Fig. I. 2, 7 und 8 dargestellten Ausführungsbeispielen, die durch zylindrische geblechte Eisenkörper mit Drehfeldern gekennzeichnet sind, müssen für die Anwendbarkeit von Blechen mit

·> Rechteckschleife die Eisenkörper aus Blechsegmenten, vorzugsweise mit Stoßstellenüberlappung, aufgebaut sein — wie es bei großen elektrischen Maschinen üblich ist —. um in den einzelnen Segmenten die Kraftlinienrichtung in den Zähnen bzw. im Joch — z. B. nur

ίο angenähert — der magnetischen Vorzugsrichtung zuzuordnen. Dieser Aufwand kann durch die erfindungsgemäße Ausführung nach den Fig. 10 und 11 vermieden werden. Das gesättigte Feld ist hier ein Wanderfeld, das von der primären Ringwicklung 18, die

it zusammen mit der sekundären Ringwicklung 19 in den beidseitigen Nutungen des Blechpaketes 20 untergebracht ist, erregt wird. Die Blechpakete 21 und 22 sind als Rückschlußteile vorgesehen, die Dämpfungskörper 7 und 8 unterdrücken stirnseitig aus dem Paket austreten de StreuflUsse. Die Anordnung nach den Fig. IOund 11 bildet gewissermaßen ein über ein oder mehrere Polpaare der Primärwicklung reichendes und geradegebogenes Segment der Anordnung nach F i g. 7. Die Wanderfeldausführung nach den Fig. 10 und Il

.'"> zeichnet sich durch Kompaktheit, minimalen Blechverschnitt bei der Fertigung und problemlose Einhaltung der Fi'gen zwischen den Blechpaketen aus. Wenn für das Blechpaket 20 erfindungsgemäß Blech mit rechtekkiger Hystereseschleife nach F i g. 9 verwendet und die

κι Vorzugsrichtung in die Achse der zu sättigenden Zähne verlegt wird, sind die geschilderten Vorteile dieses Werkstoffes ohne Einbuße erzielbar.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ruhender magnetischer Frequenzvervielfacher, der einen geschlossenen magnetischen Kreis bildende geblechte Eisenkörper und eine in Nuten verteilte mehrphasige Primärwicklung der Polpaarzahl (p\) sowie eine mit dieser magnetisch gekoppelte Sekundärwicklung aufweist, deren Polpaarzahl (pn) ein ungeradzahliges Vielfaches der Polpaarzahl (p{) der Primärwicklung ist, bei welchem Vervielfacher ferner ein Teilbereich der Eisenkörper durch das von der Primärwicklung bei Speisung mit der primären Nennspannung bei Nennfrequenz erzeugte Magnetfeld gesättigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der gesättigte Teilbereich im Rückschlußweg (Joch) vorgesehen ist und die Primär- und Sekundärwicklungen (1 und 2) mittels an sich bekannter Maßnahmen so ausgebildet sind, daß an den Klemmen der Primärwicklung (1) praktisch nur von der Grundhormonischen eines Feldes der Polpaarzahl (p\) tise Spannung und von der gleichen Grundhannonischen sowie den von der Polpaarzahl (pt) abweichenden Harmonischen an den Klemmen der Sekundärwicklung (2) keine Spannung induziert werden kann.

2. Frequenzvervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (1) und die Sekundärwicklung (2) in je einem genuteten zylindrisch bzw. hohlzylirdrisch ausgebildeten Blechpaket (5 bzw. 6) angeordnet und die Blechpakete (5 und 6) ineinandersteckbar sind.

3. Frequenzvervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (18) und die Sekundärwicklung (19) als Ringwicklungen ausgebildet und auf einem b idseitig genuteten geblechten Eisenkörper (20) angeordnet sind und der magnetische Rückschluß durch zu beiden Seiten des Eisenkörpers (20) vorgesehene geblechte Eisenkörper (21 und 22) bewirkt ist

4. Frequenzvervielfacher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens im Bereich der magnetisch gesättigten Teile der Blechpakete (5,6 bzw. 20) Dämpfungskörper (7,8) aus einem amagnetischen Werkstoff guter elektrischer Leitfähigkeit angeordnet sind.

5. Frequenzvervielfacher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungskörper (7, 8) seitlich neben dem gesättigten Rückschluß angeordnet sind.

6. Frequenzvervielfacher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungskörper in Form einer Nuteinlage (23) ausgebildet und gegenüber den Zähnen (11) isoliert in den Nuten angeordnet sind.

7. Frequenzvervielfacher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungskörper als Nutverschlußkeile (24) ausgebildet und gegenüber den Zähnen (11) isoliert in den Nutöffnungen angeordnet sind.

8. Frequenzvervielfacher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die geblechten Eisenkörper (25 und 26) mit der Primär- bzw. Sekundärwicklung (27 bzw. 28) im Gehäuse (29) eines Motors untergebracht sind und die Ständerwicklung (9) dieses Motors in Nuten des hohlzylindrischen Eisenkörpers (26) angeordnet und an die Sekundärwicklung (28) angeschlossen ist.

9. Freauenzvervielfacher nach einem der vorher-

gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der magnetisch gesättigte Teil der Eisenkörper aus einem Werkstoff mit rechteckiger Hystereseschleife (F i g. 9) besteht und die magnetischen Vorzugsrichtungen, denen diese Schleife zugeordnet ist, wenigstens in der Sättigungszone zumindest näherungsweise mit der Richtung der magnetischen Kraftlinien übereinstimmen.

10. Frequenzvervielfacher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die Primärwicklung (1) und/oder Sekundärwicklung (2) Kondensatoren (10 bzw. 11) angeschlossen sind.

11. Frequenzvervielfacher nach Anspruch 3 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechpakete (20 bis 22) rechteckig ausgebildet sind.