DE2921224C2

DE2921224C2 - Polumschaltbare Drehstrommaschine mit durch Polamplitudenmodulation umschaltbarer symmetrischer Ständerwicklung

Info

Publication number: DE2921224C2
Application number: DE2921224A
Authority: DE
Inventors: Gordon Hindle Clifton Bristol Rawcliffe
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1978-05-25
Filing date: 1979-05-25
Publication date: 1986-07-03
Also published as: JPS54154015A; IT7968130A0; DE2921223A1; US4260923A; FR2427000A1; FR2427000B1; IT1118744B; JPS54154016A; CA1121436A; SE7904474L; DE2921224A1; CA1119652A; SE7904473L

Description

Die Erfindung betrifft eine polumschaltbare Drehstrommaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Durch Polamplitudenmodulation in ihrer Polzahl umschaltbare Drehstrommotoren und -generatoren mit Käfigwicklung sind beispielsweise aus der GB-PS 9 00 600 sowie Aufsätzen von L H. John in der Zeitschrift »Elektrotechnik«, Bd. 53, 1971, Heft 3, S. 12—15 und von Schetelig und Weppler in der Zeitschrift »ETZ-A«, Bd. 92, Heft 10, S. 576 —579 bekannt, wobei die letztere Veröffentlichung weiteres Schrifttum nennt

Die Theorie der Polamplituüenmodulation (PAM) wird in diesen Veröffentlichungen mit eier Annahme erläutert, daß die Verteilung der Wicklungen über den Luftspalt und die überlagerten Modulationswellen rein sinusförmig zu sein haben und deshalb bei praktisch ausgeführten Maschinen so nahe wie möglich sinusförmig sein sollen.

Dabei war herausgefunden worden, daß eine sinusförmige Modulation der Polamplitude bestimmte Oberwellen in der Feiclerregerkurve erzeugt, insbesondere solche Oberwellen, die als »konjugierte« Oberwellen beschrieben sind, wobei dk.-se Oberwellen zu jenen hinzutreten, die bei herkömmlichen Ein-Drehzahl-Wicklungcn festzustellen sind.

Ein Teil der Entwicklungsarb iten für die Polamplitudenmodulation hat sich mit der Verminderung der unerwünschten Oberwellen durch Veränderung der Modulationsfolge oder durch entsprechende Auswahl der Spulengruppierung und der Sehnung befaßt. Diese Oberwellen wurden insbesondere deshalb als unerwünscht betrachtet, weil sie sich in der Drehmoment-Drehzahlkurve durch erhebliche Absenkungen, Spitzen und Einsaltelungen bemerkbar machen oder zumindest zu einer Verminderung des Motormoments führer..

Dieses Kriterium traf in der Praxis hauptsächlich für kleine und mittleren Motoren zu. Wenn das Bctriebsverhalten solcher Motoren unbefriedigend war, lag dies gewöhnlich an einer unzureichenden Drehmomentcharakteristik.

Es ist auch bekannt, daß in Polamplitudenmodulationsmaschinen andere unerwünschte Oberwellen auftreten, die als »benachbarte« Oberwellen bezeichnet werden. Diese Oberwellen beeinträchtigen das Drehmomentvcrhalten einer Maschine nicht sonderlich, sie können jedoch mit dem Hauptdrehfeld der Maschine derart zusammenwirken, daß niederfrequente Schwingungen des Maschinenständers hervorgerufen werden. Diese sind bei großen Motoren mit sehr vielen Polen deutlich zu höhen und höchst unerwünscht. Obgleich weniger wahrnehmbar, ist die Wirkung bei kleinen Motoren auch vorhanden.

Die Natur und Bedeutung der benachbarten Oberwellen ist erst jetzt bei der Auslegung großer PAM-Maschinen richtig erkannt worden. Sie sind Oberwellen mit negativem Drehsinn. Ihre Ordnungszahl lehnt sich eng an so die Ordnungszahl des entsprechenden Hauptfeldes an, für gewöhnlich unterscheidet sie sich um »2«, in seltenen Fällen um »1« von der Ordnungszahl des Hauptfeldes.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, derartige benachbarte Oberwellen bei Drehstrommaschinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 auf Kleinstwert herabzudrücken.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch das kennzeichnende Merkmal des Patentanspruchs 1.
Der Grundgedanke, auf dem die Erfindung beruht, besteht demnach darin, der bekannten, angenähert sinusförmige Folge der Spulengruppenzahlen eine Oberwelle zu überlagern und dadurch gezielt die benachbarten Oberwellen in der resultierenden Felderregerkurve zu vermindern. Die Überlagerung der dritten Oberwelle hat sich als für diesen Zweck geeignet erwiesen.

Vor der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung im einzelnen wird zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung die Theorie erörtert, die diesen Beispielen zugrundeliegt.

Unter Berücksichtigung zunächst jener radialen Kraftwellen, die bei allen Induktionsmotoren vorhanden sind, erzeugt das rotierende magnetische Feld in allen Induktionsmotoren eine rotierende radiale Kraftwellc, die das Bestreben hat. das Blechpaket und das Ständergehhuse zu verbiegen. Die Kraft (pro Flächeneinheil) an einer beliebigen Stelle ist proportional dem Quadrat der magnetischen Induktion B_n, sin (in Θ — t), das heißt

fl„,sin(;„g-*/) oder lij, \ ' ~ ^{C0S 2} ['" ^Θ ~ ">'^] \ _M,

m die Polpaarzahl des Motorsund
θ ein mechanischer Winkel

Die betrachtete Kraft ist also eine rotierende Kraftwelle doppelter Frequenz mit einer Polzahl gleich dem

Doppelten der Motorpolzahl, welche einer stationären Radialkraft γ [B_m ²] überlagert ist.

Sodann seien die rotierenden Kraftwellen in PAM-Induktionsmotoren unter der Voraussetzung betrachtet, daß ein zweites rotierendes Magnetfeld B_n sin (η θ + ω ι) von abweichender Polzahl überlagert ist, wobei das zweite Feld im Vergleich zu dem Hauptfeld B_n, schwach ist, d. h. weniger als 20% beträgt. Die Oberlagerung dieses Feldes hat die Wirkung, daß zwei zusätzliche Radialkraftwellen neben derjenigen, die vom Hauptfeld herrührt, entstehen. Eine dieser Kraftwellen ist stationär, und eine rotiert mit einer Geschwindigkeit, die dem Doppelten der Netzfrequenz entspricht. Grundsätzlich treten diese zusätzlichen Krahwellen aufgrund von Oberwellen bei allen normalen Induktionsmotoren auf, sind dort aber sehr klein.

Die folgenden Gleichungen machen diese Zusammenhänge klarer:

B_n, sin (m θ—ωή und B_n sin (η θ+cot) seien zwei rotierende magnetische Felder in einem Induktionsmotor, wobei B_n, viel größer als B_n ist. Wenn das alternierende Vorzeichen negativ ist, rotieren beide Felder in gleicher Richtung. Wenn es positiv ist, rotieren die Felder in entgegengesetzter Richtung. Die resultier^de Gesamt-Roiationskraft ist nun proportional zu:

[ B_n, si η (m θ- ωt) + B_n sin (η θ+cütff (2).

Wenn B_1n um ein Vielfaches größer ist als B_n, wie dies bei einer beliebigen PAM-Wicklung stets der Fall ist, kann die auf der alleinigen Wirkung von B_n ² beruhende rotierende Kraftwelle vernachlässigt werden. Aus der Differenzbildung zwischen der rotierenden Gesamtkraftwelle nach Gleichung (2) und der Kraftwelle nach Gleichung (1), die auf der Alleinwirkung des Hauptfeldes B_n, beruht, folgt bei Vernachlässigung der auf S_n ² beruhenden Kraftwelle, daß die besondere rotierende Kraftwelle in einem PAM-Induktionsmotcr proportional ist zu:

[B_n, sin (m θ — ω t) + B_n sin (η Θ + ω tjf — [B_n,¹ sin² (m Θ - ω tj\

= B„,B_n [cos ((m + η) Θ) - cos f(m ± η) Θ — 2 ω t)J] (3).

Jedes Differenz-Feld hat gemäß dieser letzten Gleichung grundsätzlich zwei resultierende Komponenten. Nur diese resultierenden magnetischen Felder sind von Bedeutung. Die gemäß den oben getroffenen Feststellungen ohnehin kleinen Oberwellendurchflutungen sind noch viel größer als das davon erzeugte magnetische Feld, welches letztere somit ohne Bedeutung ist.

Der erste Ausdruck in dieser letzten Gleichung (3) stellt eine stehende Kraftwelle von (m + n) Polpaaren dar, und der zweite Ausdruck gibt eine mit doppelter Netzfrequenz rotierende Kraftweilen von (m ± n) Polpaaren wieder. Im Prinzip wird die stehende Kraftwelle eine stär.dig wirkende Verformung des Blechpakets und Ständers ergeben, jedoch keine resultierende Schwingung. Der zweite Ausdruck stellt eine rotierende Kraftwelle dar, die Schwingungen erzeugen kann.

Das Ausmaß der Schwingungen wird von der Größe der Kraftwelle, der Stabilität des Ständers und auch der Anzahl der Pole der Kraftwelle abhängen. Der Ständer kann als ein endloser Balken betrachtet werden, der an einer Anzahl Stellen abgestützt ist, die jeweils den Abstand einer Polteilung haben. Die Durchbiegung eines einfach abgestützten Balkens von gegebenem Querschnitt bei einer gegebenen Kraft ist proportional der dritten Potenz des Abstandes zwischen den Abstützstellen, und die Schwingung ist dementsprechend umso geringer, je größer die Anzahl der Pole ist, und umgekehrt.

Die maximale Schwingung für eine gegebene Größe des zweiten magnetischen Feldes B_n wird bei negativem Vorzeichen für η im zweiten Ausdruck der Gleichung (3) für die Kraftwelle auftreten, wobei die rotierende Kraftweife nur (m — π,Ι Polpaare hat. Dies entspricht einer Drehung des zweiten Feldes B_n im umgekehrten Sinn zu dem magnetischen Hauptfeld B_m. Gleichzeitig wird das Vorrahhen im ersten Ausdruck positiv sein, d. h. die stehende Kraftwelle wird (m + n) Polpaare haben, und die aus ihr resultierende Verformung wird unbedeutend sein.

Ein zweites rotierendes Magnetfeld wird deshalb am wahrscheinlichsten Schwingungen erzeugen, wenn die beiden Felder nahezu die gleiche Ordnungszahl haben und in entgegengesetzten Richtungen rotieren. Im Prinzip können mund π um »1« differieren; sie werden jedoch bei normalen PAM-Wicklungen um nicht weniger als »2« voneinander abweichen. Eine Durchflutungsoberwelle mit einer Ordnungszahl, die sich nur um »1«, »2« oder eine andere niedrige ganze Zahl von der Ordnungszahl der Grundwelle der Durchflutung unterscheidet, ist eine solche, wie sie hierin als »benuchbarte« Oberwelle definiert worden ist.

Es seien nun die Ordnungszahlen der benachbarten Oberwellen und ihr Drehsinn betrachtet, die sich leicht wie nachstehend ableiten lassen.

Die Ordnungszahlen können um »1« abweichen, wenn geradzahlige und ungeradzahlige Oberwellen vorkommen. Die bedeutendste Polkombination ungeradzahliger Polpaare in der Praxis ist die 6 P0I-/IO Pol-Maschine; andere Fälle sind in der Praxis selten.

Da die Größe der Oberwellen sehr schnell mit zunehmender Ordnungszahl abnimmt, hat. abgesehen von der Abweichung»!«, die größte benachbarte Oberwelle die Ordnungszahl (p\ —2) und ist von negativem Drehsinn.

Die Hauptoberwellen niedriger Ordnungszahl beruhen entweder auf der dritten Oberwellenkomponente der Phasendurchflutungen oder der dritten Oberwellenkomponente der Modulationswelle. Die (erwünschte) Resultierende der Modulation für ein Polzahlverhältnis kleiner als 2 : 1 beträgt (p\ + \) Polpaare, und die (unerwünschte) resultierende Haupt-Oberwelle ist demzufolge (p\ + 3) Polpaare, worin p\ die ursprüngliche Polpaarzahl ist. Ausgedrückt in Einheiten der Haupt-Polpaarzahl (p₂) für eine PAM-Wicklung mit Polzahlverhältnis kleiner als 2 : I nach ihrer Modulation ist dann die unerwünschte benachbarte Haupt-Oberwelle von der Ordnungszahl (p2 + 2), und diese besitzt auch negativen Drehsinn.

In nächstfolgender Betrachtung der Auswirkung eines Käfigläufers auf die Durchflutungs-Oberwellen, die in

einem PAM-Induktionsmotor vorhanden sind, ist das von der Haupt-Durchflutiing erzeugte rotierende Feld B_m sin (m θ — ω t) das fundamentale rotierende Magnetfeld. Alle übrigen Durchflutungskomponenten sollten im normalen Betrieb grundsätzlich völlig durch Ströme in der Käfigwicklung neutralisiert werden, so daß im Idealfall kein anderer magnetischer Fluß in der Maschine als dieses fundamentale Feld vorhanden ist, wenn die Maschine im normalen Betrieb arbeitet. In der Praxis werden die größeren Oberwellendurchflutungen nicht vollständig neutralisiert, und es sind die von diesen remanenten Durchflutungen erzeugten bereits betrachteten magnetischen Flüsse (B_n), die durch den Ausdruck B_n sin (η θ + ω ^wiedergegeben sind.

Die negtiv drehende benachbarte Oberwelle von (p2 + 2) nach der Modulation, nämlich die mit (p\+3) Polpaaren, läßt sich weniger leicht durch die Käfigwicklung neutralisieren als die negativ drehende benachbarte Oberwelle von (p\ — 2) Polpaaren vorder Modulation bei einer gegebenen Stärke der Oberwellendurchflutung. Es laßt sich beobachten, daß die Ordnungszahl der benachbarten Oberweiie für eine höhere Drehzahl in PAM-Wicklungen mit Polzahlverhältnis kleiner 2 : 1 immer um »5« größer ist als die Ordnungszahl der benachbarten Oberwelle für die geringere Drehzahl. Das Verhältnis zwischen diesen beiden Ordnungszahlen isl näher »I« für große Polzahlen und umgekehrt. Beispielsweise für 8 Pole/10 Pole beträgt das Verhältnis 2/7, während das Verhältnis für 14 Pole/16 Pole 1/2 ist. Folglich sind benachbarte Oberwellen für große Polzahlen stärker von gleicher Bedeutung für beide Drehzahlen.

Zum besseren Verständnis der Erfindung und ihrer leichteren Ausführung in der Praxis werden nachstehend eine Anzahl Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. I ein Diagramm, das eine erfindungsgemäße Spulenverteilung bei einer symmetrischen 8 Pol/10 PoI-PAM-Wicklung in 120 Nuten zeigt,

F i g. 2 ein Diagramm mit vier Kurven, welche die Anzahl der Spulen je Spulengruppe in Abhängigkeit von der nominellen Winkellage auf der modulierenden Welle wiedergeben,

Fig. 3 ein Wickelschema für die 8 Pol/10 Pol-Wicklung in 120 Nuten entsprechend Fig. 1,

Fig. 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer erfindungsgemäßen Spulengruppierung für eine 14 Pol/ 8 Pol-Wicklung in 108 Nuten und

Fi g. 5 das Wickelschema für die 14 Pol/8 Pol-PAM — Wicklung in 108 Nuten entsprechend Fig. 4.
Den Zeichnungen ist zur weiteren Verbesserung des Verständnisses eine »Tabelle 1« beigefügt, in welcher maßgebliche, den Oberwellengehalt angebende Werte für je eine bekannte und eine nach der Erfindung ausgeführte Wicklung für vier verschiedene Nutcnzahlcn bei einer symmetrischen Wicklung mit 8 Polen/!0 Po ien tabellarisch aufgeführt sind.

Allgemeine Theorie der Oberwellen-Modulation

Die Erfindung ermöglicht es. eine weitere Gattung von symmetrischen, durch PAM-polumschaltbarc Wicklungen zur Minimierung benachbarter Oberwellen mit negativer Drehrichtung anzugeben. Dabei wird eine absichtliche Abkehr von der reinen sinusförmigen Modulation erforderlich, welche den bekannten durch Polamplitudenmodulation umschaltbaren Induktionsmotoren zugrundelag.

Die Oberwellen-Modulation läßt sich auf PAM-Wicklungen für jede Polkombination anwenden. In der Praxis haben sich, als gewerblich am Interessantesten Polkombinationen von 4/6. 6/8, 8/10, 10/12 usw. erwiesen, bei denen die Polzahlen um »2« voneinander verschieden sind.

Die Modulation für solche Polkombinationen wird für gewöhnlich durch Gesamtmodulation der Statorwicklung bewirkt. Die Gesamt-Modulationswelle hat diejenige Anzahl von Halbwellen (oder Polen), die gleich r'cr Summe der Alternativpolzahlen ist.

Das Grundprinzip der Oberwellenmodulation besteht darin, daß eine unerwünschte Durchflutungsoberwellc wesentlich durch Hinzufügung einer zusätzlichen Moduiationskomponente zu der normalen Modulationswellc verkleinert werden kann. Die besondere Oberwellenmodulation, welche die benachbarten Durchflutungsoberwellen vermindert, ist die dritte Oberwelle der Gesamt-Modulationsgrundwelle. Das Auftreten von Schwingungen doppelter Frequenz bei großen PAM-Motoren mit symmetrischen Polkombinationen kann durch Modulation mit der dritten Oberwelle mit ausgewählter Größe auf ein sehr niedriges Maß vermindert werden.

Das besondere Prinzip der Modulation mit der dritten Oberwelle wird nachstehend für die beiden Erscheinungsformen der Gesamtmodulation analysiert.

Λ) Gcs;imtmodulation durch clic Summe der Polpaarc
I. Von p\ l'olpaarcn zu pi Polpaaren :pi = fri + 1)

angewandte Moduli)lion

Ergebnis der Modulation
gesucht

vorhanden

Hii.-.plmodiilationpi ±(p\ +pi) Dritte Oberwellen-Modulation pi ± 3

verminderte benachbarte
Oberwelle niedriger
Ordnungszahl
gewünscht

Demgegenüber Vornahme der Modulation im umgekehrten Sinne:
2. Von p2 Polpaaren zu pt Polpaaren:pi =(pi— 1)

angewandte Modulation

Ergebnis der Modulation
gesucht

+ (2p,

erhöhte Subharmonische
geringer
Ordnungszahl
annehmbar

vorhanden

Hauptmodulation p₂±fri +pi) Dritte Oberwellen-Modulation pi±3

verminderte benachbarte
Oberwelle niedriger
Ordnungszahl
gewünscht

+ fri + 3)

erhöhte Subharmonische

geringerer

Ordnungszahl

annehmbar

in beiden vorstehenden Fällen ist der Drehsinn aller Oberwellen entgegengesetzt zum Drehsinn des Hauptfeldes. Insbesondere haben die benachbarten Oberwellen negative Drehrichtung.

Abgesehen von den der Erfindung zugrundeliegenden symmetrischen PAM-Wicklungen sind die Durchflulungsobcrwellen grundsätzlich unausgeglichen. Benachbarte Oberwellen werden Komponenten mit sowohl positiver als auch negativer Folge haben, jedoch ist die Komponente mit negativer Folge die größere. Die Komponente mit positiver Folge spiegelt Differenzen zweiter Größenordnung zwischen den Spulengruppierungen der einzelnen Phasen wieder.

Phasenmodulation

Diese Gesetzmäßigkeit ist auf der Grundlage einer Gesamtmodulation der Ständerwickiung geschaffen worden, ist aber in gleicher Weise anwendbar auf die Phasenmodulation. Die Phasen-Modulationswelle bei einer Modulation mit einem Polverhältnis kleiner 2 : 1 hat zwei Pole, und die dritte Oberwelle hat demzufolge seuhs Pole. Der Abstand zwischen den Dreiphasen-Modulationswellen bei einer PAM-Wicklung mit Polverhältnis

kleiner 2 : 1 beträgt -zr-, und ihre Dritte-Oberwellen-Komponenten haben demzufolge den Abstand 2.τ, d. h. sie

fallen elektrisch zusammen. Wenn die Dritte-Oberwellen-Modulationskomponenten den Phasen-Modulationswellen überlagert werden, wird demzufolge eine Dritte-Oberwellen-Modulation der Wicklung als ganzes überlagert.

Es sei nun zur Betrachtung der Gesamt-Modulation zurückgekehrt:

B) Gesamt-Modulation durch die Differenz der Polpaare

Dieselbe Gesetzmäßigkeit trifft in gleicher Weise auf die Gesamt-Modulation durch die Differenz der Polpaare zu. Ein Beispiel für eine Wicklung mit 8 Polen/14 Polen wird an späterer Stelle gegeben. Diese ist eine symmetrische PAM-Wicklung, auf welche eine Gesamt-Modulation mit sechs Polen angewandt wird, was gleich der Differenz der Alternativ-Polzahlen ist. Die Oberwellen-Modulation, die zur Korrektur der benachbarten Oberwelle erforderlich ist, ist die dritte Oberwelle von sechs Polen, d. h. eine lopolige Oberwellen-Modulation. Die einzige Änderung, die in den numerischen Verhältnisen auftritt, besteht darin, daß die benachbarte Oberwelle für 14 Pole 10 Pole beträgt, d. h. vier Pole wengier als die Haupt-Polzahi anstelle vier Pole mehr.

Symmetrische und asymmetrische PAM-Wicklungen

Vor der Beschreibung der praktischen Wicklungsbeispiele ist es erforderlich, die beiden Gattungen von PAM-Polkombinationen wie folgt zu betrachten:

Symmetrische PAM-Polkombinationen sind solche, für welche keine der alternativen Polzahlen ein Vielfaches von »3« ist. und asymmetrische PAM-Polkombinationen solche, für welche eine der alternativen Polzahlen ein Vielfaches von »3« ist und die andere nicht

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allein auf die Gattung der symmetrischen Polkombinationen.

Symmetrische PAM-Wicklungen

Bei symmetrischen PAM-Wicklungen sind die Folgen der Spulengruppenzahlcn für alle Phasen untereinander immer identisch. Es ist deshalb möglich, die Spulen aller drei Phasen auf die gleiche Weise so umzugruppieren, daß die Wicklungen für beide Drehzahlen ausgeglichen sind, welche Spulengruppierung auch immer gewählt wird. Normale, weise muß die Spulengruppierung eingeschränkt werden auf niedrige ganzzahlige Werte, weil in der Praxis alle Spulen identisch sein müssen, und die Zahl der Spulen je Pol und Phase muß klein sein.

Eine Dritte-Oberwellen-Komponente kann der Modulationswelle durch Verminderung der Spulenzahl(en) in der Mittelgruppe (den Mittelgruppen) jeder halben Phasenwicklung und Vergrößerung der Spulcnzahl(en) in der Außengruppe (den Außengruppen) hinzugegeben werden.

In der Tabelle 1 sind acht verschiedene symmetrische 8 Pol/10 Pol-PAM-Wicklungen aufgeführt mit jeweils zwei alternativen Ausführungen für jeden der vier Ständer mit verschiedenen Nutenzahlen. Von den beiden möglichen Wicklungsausführungen ist die erste eine bekannte 8 Pol/iO Pol-Wicklung, deren Auslegung auf sinusförmiger Modulation beruht, und die zweite Wicklungsausführung stellt die entsprechende mit hin/.ugefUgter Dritte-Oberwellen-Modulation dar. Die Merkmale aller acht Wicklungen sind tabellarisch zusammengestellt, und es läßt sich ersehen, daß der Durchflutungsanteil der benachbarten Oberwelle für die Wicklung gemäß der zweiten Alternative im jeweils entsprechenden Ständer, nämlich der Wicklung mit der überlagerten Dritte-Oberwellen-Modulation, stark vermindert ist.

Es iäßi sich ferner feststellen, daß die Spuienweite für die beiden Wicklungen eines jeden aiieniaiiven Paars derselbe ist.

Fig. 1 zeigt anhand eines Diagramms, wie für eine 8 Pol/10 Pol-PAM-Wicklung(es handelt sich hierbei um die vierte Wicklung in Tabelle 1, die dort mit »*« bezeichnet ist) in einem 120-Nuten-Ständer die einzelnen Spulen zu Spulengruppen zusammengefaßt und diese den Phasen zugeorndet werden. Der mittlere Ring bezeichnet die Anzahl der Spulen in jeder Spulengruppe. Die Spulenzahl in den Gruppen wechselt dabei laufend nach der Folge

7-5-8-0-,

d. h. es bestehen bei jeder Phase zwei Phantom-Spulen-Gruppen mit der Spulenzahl »0«. Im inneren Ring des Diagramms sind die Nummern der Nuten aufgeführt, in denen die oberen Spulenseiten der im mittleren Ring angegebenen Spulen liegen.

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist die dort mit einem Pfeil markierte, dick ausgezogene Gesamt-Modulationswellc (Grenzlinie zwischen nicht umzuschaltenden und umzuschaltenden Spulen) 18polig. Die dargestellte Wicklung ist 8polig und wird lOpolig durch Umpolung derjenigen Spulengruppen, die innerhalb der Modulationswelle liegen. Die Spulenweite beträgt 10 Nuten, beispielsweise liegt eine Spule in den Nuten 1 und 11. Die Wicklungsschaltungen sind:

SrtnliiT Doi-ollol-Ctorr, C^fVlIg I UIUIlCl iJlClli

lOpolig— Reihe-Dreieck.

Für8 Pol/10 Pol-Wicklungen sind die benachbarten Oberwellen 4polig bzw. Hpolig.

Tabelle 1 zeigt den D'itchflutungsanteil der benachbarten Oberwelle, das Verhältnis R = —^—^L, worin

x—y—z—0

die wiederkehrende Folge der Spulengruppenzahlen darstellt, die beiden Wicklungsfaktoren wg und wio sowie das Verhältnis der magnetischen Induktion Bg/B\o für vier bekannte und vier erfindungsgemäße Wicklungen, darunter die Wicklung nach Fig. 1.

Es läßt sich bemerken, daß der Anteil der 14poligen Oberwelle für die lOpolige Schaltung bei der erfindungsgemäßen Wicklung gegenüber der entsprechenden bekannten Wicklung auf etwa ein Fünftel und der Anteil der 4poligen Oberwelle für die 8polige Schaltung auf etwa die Hälfte vermindert sind. Von den betrachteten Oberwellen ist die 14polige bei der lOpoligen Schaltung die unerwünschtere, da sie mit größerer Wahrschein-

|1 lichkeit eine Schwingung doppelter Frequenz anregt.

r^ Fig. 2 zeigt vier Folgen von Spulenzahlen je Gruppe für 8 Pol/10 Pol-Wicklungen in 144 Nuten, von denen

•fs 55 zwei, nämlich die mit (b) und (d) bezeichneten, auch in Tabelle 1 aufgeführt und dort entsprechend bezeichnet

M sind.

fc Wie in Fi g. 2 dargestellt, sind die Kurven der bekannten 8 Pol/10 Pol-Wicklungen

p (a) 6-12-6-0-oder

P 60 (b) 7-10-7-0-

ri etwa sinusförmig.

H Die anderen, erfindungsgemäßen Spulengruppenfolgen

'£ 65 (c) 9-7-8-0-oder

f (d) 9-6-9-0-

i\ zeigen deutlich die Überlagerung der dritten Oberwelle.

Wie sich aus Vorstehendem ergibt, entspricht die Modulation mit der dritten Oberwelle der Zunahme der Spulcn/ahl in den äußeren Spulengruppen und der Abnahme der Spulenzahl in der mittleren Spulengruppe. Die Modulation ist also derart, daß der Scheitelwert der Grundwelle abnimmt.

Der O'oerwcllendurchflutungsgehalt, der diesen Spulengruppierungsbeispielen entspricht, ist leicht mit dem Computer zu berechnen.

Die anderen Beispiele der Tabelle 1 zeigen dieselbe Gesetzmäßigkeit.

Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Lehre lassen sich Diagramme ähnlich F i g. 1 für jede gewünschte 8 Pol/10 Pol-Wicklung und für jede zulässige Nutenzahl von 72 Nuten an aufwärts leicht anfertigen.

F i g. 3 zeigt schematisch die Verschaltung der durch Nutnummern gekennzeichneten Spulen bei der in F i g. 1 gezeigten, in Tabelle 1 mit»*« bezeichneten Wicklung mit den Spulenzahlen je Gruppe 7 — 5—8—0—. ιυ

Wenn die Folge der Spulenzahlen je Gruppe einer beliebigen entworfenen Wicklung dargestellt wird durch

x—y—z—0, dann beträgt das durch —-z— gegebene Verhältnis (R) iür die 120 Nuten-Wicklung 0.5 für die rein

sinusförmige Folge und 1,5 für eine erfindungsgemäße, mit der dritten Oberwelle modulierte Folge.

Bei Sipndern, die gebräuchliche Nutenzahlen aufweisen sind die Spulenzahlen pro Spulengruppe bei großen Polzahlen geringer als bei kleinen Polzahlen. Mit der notwendigen Begrenzung durch die Verschiebung nur ganzzahligcr Spulenzahlen von der mittleren Spulengruppe zu den äußeren Spulengruppen bei der Änderung der SDulengruppierung zur Modulierung mit der dritten Oberwelle ist der in F i g. 2c) oder d) gezeigte optimale Kjrvenverlauf nicht immer erzielbar. Bisweilen mag es vorzuziehen sein, für symmetrische PAM-Polkombinaüumcii das späicf beschriebene Äüs'icgürigsvcrfänrcn, das ebenfalls für asymmetrische PAM-Polkornbinationcn verwendbar ist, zu benutzen und damit von der einfachen Spulengruppierung abzuweichen.

Die obe.i in Verbindung mit der Tabelle 1 beschriebenen Ausfüh.^Jungsbeispiele sind symmetrische PAM-Wicklungen mit Verwendung der Summen-Gesamtmodulation, was bedeutet, daß die auf die gesamte Dreiphasen-Wicklung angewandte Gesamt-Modulationswelle (in F i g. 1 dick ausgezogen) eine Polzahl gleich der Summe der beiden alternativ einschaltbaren Polzahlen (in Fig. 1: 18 = 8+10) aufweist. Es gibt eine zweite Gattung von symmetrischen PAM-Wicklungen, welche die Diffcrenz-Gcsamtmodulation anwendet, d. h., die auf die gesamte Dreiphasen-Wicklung angewandte Gesamt-Modulationswelle hat eine Polzahl gleich der Differenz der beiden alternativ einschaltbaren Polzsihlen.

Dabei kommt eine ähnliche Gesetzmäßigkeit zur Anwendung. Für das Beispiel einer 8 Pol/14 Pol-Wicklung ist die Differenz-Gesamtmod..'ation vorzuziehen, weil (14 —8) = 6 und damit ein Vielfaches von »3« ist, während (14+ 8) = 22 ist, was kein Vielfaches von »3« ist.

Unter Fortsetzung des 8 Pol/14 Pol-Beispiels liefert die Wicklung acht Pole, wenn sie unmoduliert ist, und (8 ±3 χ 2) Pole, wenn sie moduliert ist, d. h. 14 Pole mit der geforderten Polzahl Lind zwei Pole als annehmbarer Untcrwclle.

Die Modulation mit der dritten Oberwelle liefert (8 ±3 χ 6) Pole = (8± 18) Pole, d. h. 10 Pole für die benachbartc Oberwelle und 26 Pole, eine Oberwelle höherer Ordnung, deren Größe durch Sehnung vermindert werden k;inn.

Durch d'e Auswahl des Betrags der hinzugefügter! Dritte-Oberwellen-Modulation kann die resultierende benachbarte Oberwelle in der Hpoligen Felderregerkurve auf einen niedrigen Wert herabgesetzt werden.

Für die 8 Pol-Verbindung hat die benachbarte Oberwelle vier Pole, wie dies der Fall für eine Maschine sein würde, bei der die Summen-Gesamtmodulation angewandt ist. Die vier Pole betragende benachbarte Oberwelle bei der 8 Pol-Schaltung wird in ähnlicher Weise durch die Dritte-Oberwellen-Modulation verringert.

Zunächst wird das 14polige Diagramm mit 42 Spulengruppen aufgestellt. Dabei werden, wie festgestellt. 6 modulierende Pole vorhanden sein, jeder mit sieben Spulengruppen und 18 Spulen, die zusammen 108 ,'-.'men einnehmen.

Gemäß der früheren Theorie der nahezu sinusförmigen Modulation würde die Folge der Spulenzahlen je Gruppe der 18 Spulen lauten

1-2-3-5-4-2-1.

wobei die Spulengruppe von fünf Spulen die Mitte des modulierenden Poles darstellt.

Diese Spulengruppierung ist unten bei (A) wiedergegeben. Davon abgeleitete Spulengruppenverteilungen mit zunehmend größerer dritter Oberwelle sind bei (B)-(E) aufgezeigt. Die dazwischen liegenden Zeilen (a)—(d) geben solche Spulengruppen wieder, von denen Spulen abgezogen ( —), und jene anderen Spulengruppen wieder, zu denen Spulen hinzugefügt ( + ) sind. Die Nummern mit den Vorzeichen stellen die resultierende Änderung gegenüber der ursprünglichen sinusförmigen Spulengruppierung dar. Eine Null bedeutet die Rückkehr zur ursprünglichen Spulengruppennummer.

(A)	1-2-3-5-4-2-1
(a)	+ 1-1
(B)	1-2-4-4-4-2-1
(b)	+1 0-1-i+l
(C)	1-3-3-4-3-3-1
(C)	+1 0—2—1+1+1
(D)	1-3-3-3-3-3-2
(d)	+1+1—3 0+! 0
(E)	1-3-4-2-4-3-1

Von den fünf oben aufgelisteten Wah'oiöglichkeiten besitzen (A) keinen und (B) und (C) einen unzi

Anteil der dritten Oberwelle. Die Wahlmöglichkeit (E) hat einen übermäßigen Anteil der dritten Ob( Wahlmöglichkeit (D) ist die Günstigste. Es hat keinen Einfluß auf die Erfindung, ob eine Maschine g jeden der fünf Wahlmöglichkeiten tatsächlich hergestellt und erprobt wird. Dies zu tun, wäre Zeit- un

5 Vergeudung, und es ist deshalb die Computeranalyse vorzuziehen. Das Endergebnis ist das gleiche.

F i g. 4 zeigt die Folge der Spulengruppen, die Aufteilung der Spulengruppen auf die Phasen und c Modulationswelle (stark ausgezogen) für die 14 Pol/8 PoI-PAM-Wicklung in 108 Nuten, wie sie oben angegeben ist. Sie stimmt (wie auch die Folgen in Zeilen (B), (C) und (E)) mit der Lehre der Erfindung i

Fig.5 gibt das Wickelschema für die Wicklung für 14/8 Pole in 108 Nuten nach Fig.4 wieder. L io schritt beträgt 11 Nuten. Die zehnpolige benachbarte Oberwelle in der Hpoligen Schaltung ist Wickelfaktoren sind W₁₄=0.696 und W₈=0,793. Das Verhältnis der Luftspaltinduktion ist (Β&'Β_ΙΑ) Gesamtzahl der verwendeten Spulengruppen ist 42.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

15

Claims

Patentansprüche:

1. Polumschaltbare Drehstrommaschine mit einer in Nuten liegenden, durch Polamplitudenmodulation umschaltbaren symmetrischen Ständerwicklung, welche aus drei Phasenwicklungssträngen mit jeweils zwei Wicklungsteilen zusammengesetzt ist, wobei diese Wicklungsteile alternativ in Reihe oder nach Umpolung jeweils eines Wicklungsteils je Phase parallel zueinander schaltbar sind und wobei die einzelnen Wicklungsspulen gruppenweise derart auf die Wicklungsteile verteilt sind, daß sich eine Folge von unterschiedlichen Spulengruppen längs des Maschinenumfangs laufend wiederholt, dadurch gekennzeichnet, d-ißdie sich wiederholende Folge aus den Spulenzahlen je Spulengruppe in einer Spulengruppenfolge die Form

ίο einer mit der dritten Oberwelle derart überlagerten Sinushalbwelle hat, daß der Maximalwert der sich aus der Überlagerung ergebenden Halbwelle verkleinert ist.

2. Polumschaltbare Drehstrommaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polamplitudenmodulation eine Sum-nen-Gesamtmodulation ist.

3. Polumschaltbare Drehstrommaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polamplitudenmodulation eine Differenz-Gesamtmodulation ist.