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Wechselstromantrieb für drei Geschwindigkeitsstufen mit zwei polumschaltbaren
Wicklungen. Ein- und mehrphasige Wechselstromwicklungen für elektrische Stufenmotoren
lassen sich auf einfache Weise nur für Umschaltung auf zwei verschiedene Polzahlen
herstellen, so daß der Motor mit zwei Geschwindigkeitsstufen fahren kann. Um mehr
Geschwindigkeitsstufen zu erhalten, z. B. vier verschiedene Drehzahlen, kann man
zwei verschiedene polumschaltbare Wicklungen in demselben Motor unterbringen, jedoch
muß dann im dauernden Betriebe immer eine der Wicklungen ausgeschaltet bleiben,
wodurch die Ausnutzung des Motors außerordentlich verschlechtert wird.
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Verschiedene Verwendungszwecke, z. B. Werkzeugmaschinen, Fahrzeugantriebe
usw., erfordern nun bei gewissen Drehzahlen kleine Drehmomente, bei anderen Drehzahlen
dagegen sehr große Drehmomente zum Antrieb.
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Für derartige Antriebe erhält man nun gemäß der Erfindung einen sehr
günstig ausgenutzten Motor für drei Geschwindigkeitsstufen, indem man zwei Wicklungen
anordnet, die beide derart polumschaltbar sind, daß die eine Polzahl für beide Wicklungen
die gleiche ist, während die andere Polzahl beider Wicklungen voneinander verschieden
ist. Für Geschwindigkeiten mit größtem Drehmoment werden die beiden Wicklungen in
der Schaltung mit gleicher Polzahl gleichzeitig eingeschaltet, so daß das aktive
Material des Motors voll ausgenutzt ist, während für Arbeiten mit kleinerem Drehmoment
die Wicklungen in den Schaltungen für die andere Polzahl je füi sich allein benutzt
werden. Einige Beispiele sollen die Verhältnisse erläutern. Bei Werkzeugmaschinen
sollen im allgemeinen bei tiefen Drehzahlen große Drehmomente, bei hohen Drehzahlen
kleine Drehmomente entwickelt werden. Hier wird man also beide ,Wicklungen für die
gleiche große Polzahl ausbilden. Bei Land- und Wasserfahrzeugen dagegen muß im allgemeinen
das größte Drehmoment bei der höchsten Drehzahl entwickelt werden, so daß man hier
beide Wicklungen mit gemeinsamer kleiner Polzahl ausführen wird.
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Weichen nun die beiden kleineren Drehmomente voneinander ab, so wird
man- die Kupferquerschnitte der beiden Wicklungen ebenfalls verschieden ausführen,
und zwar so, daß sie entsprechend den Drehmomenten bemessen sind, die sie beim Alleinarbeiten
entwickeln, um_ so stets möglichst geringe Verluste und eine möglichst gute Ausnutzung
des Materials zu erzielen. _ Als Beispiel sei ein Antriebsmotor für Luft-oder Wasserschrauben
genannt, der bei voller Drehzahl zoo Prozent Drehmoment, bei 2/3 der vollen Drehzahl
nur 45 Prozent des vollen Drehmomentes und bei i/2 der vollen Drehzahl nur 25 Prozent
des vollen Drehmomentes besitzt. Hier wird man also den Leiterquerschnitt der Wicklungen
für die Polumschaltung im Verhältnis 3:2 doppelt so groß machen wie den Leiterquerschnitt
der Wicklungen für die Polumschaltung ?,: r. Man erhält dann trotz des geringen
Querschnittes jeder einzelnen Wicklung niemals eine Überlastung, sondern
bei
den tiefen Drehzahlen sogar eine Unterbeanspruchung der Leiter auf Stromdichte:
Haben die beiden Teilwicklungen gleiche Querschnitte, so kann man zur Erzielung
gleicher Stromstärken die Wicklungen hintereinander schalten und erforderlichenfalls
den Einfluß auf die Klemmenspannung durch geeignete Nebenschaltung der Zweige jeder
Teilwicklung ausgleichen. Weichen jedoch die Querschnitte der Teilwicklungen voneinander
ab; so ist diese Reihenschaltung der Wicklungen- nicht mehr zweckmäßig, weil dann
die Wicklungen mit Rücksicht auf die auftretende Erwärmung der Wicklung mit schwächerem
Querschnitt nicht mehr völlig ausgenutzt werden können. Man wird somit die beiden
Teilwicklungen nebeneinander schalten. Um nun beim Nebeneinanderarbeiten mit gemeinsamer
Polzahl die Ströme auf die beiden Teilwicklungen entsprechend ihren Leiterquerschnitten
zu verteilen, wird die Selbstinduktion der beiden Teilwicklungen passend eingestellt.
Hierzu kann man sich kleiner Drosselspulen bedienen, - die vor eine der Wicklungen
geschaltet werden. Eine günstigere Anordnung ergibt sich jedoch, wenn man die magnetische
Streuung der beiden Wicklungen durch geeignete Lagerung passend bemißt. Wie dies
erreicht werden kann, ist an verschiedenen Beispielen in der Zeichnung dargestellt,
die den Schnitt durch einen Motor mit zwei Wicklungen veranschaulicht.
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Mit a ist der Ständer bezeichnet, b ist der Läufer. Die rechte
Seite zeigt eine Lagerung der beiden Wicklungen c und d für möglichst gleiche Stromaufnahme,
bei der die Wicklung für die größere Einzelpolzahl in der Nutenmitte, diejenige.
für die kleinere Einzelpolzahl am Kopf und am Grunde der Nut eingelegt ist. Hierdurch
werden die Nutenstreuungen beider Wicklungen sehr nahezu einander gleich,' und auch
die Stirnstreuungen weichen nur wenig voneinander ab, da die Wicklungsköpfe von
dem gleichen Streufelde durchsetzt werden. Auf der linken Seite der Zeichnung ist
eine Lagerung für Wicklungen von verschiedenem Querschnitt gezeichnet. Hier besitzt
die am Nutengrund eingelegte Wicklung e mit kleinem Querschnitt eine größere Nutenstreuung
als die am Nutenkopf gelegene Wicklung f mit großem Querschnitt. Eine weitere Einstellung
der Nutenstreuung kann man auch durch umschichtige Lagerung der Einzelleiter der
verschiedenen Wicklungen in den Nuten erzielen und schließlich läßt sich auch, wie
ebenfalls auf der linken Seite der Zeichnung dargestellt, durch Ausbildung verschieden
langer Wickelköpfe die Größe der Stirnstreuung beeinflussen.
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Da für die verschiedenen Wicklungen oder Wicklungsschaltungen des
Motors das Verhält-' nis der Drehzahlen einerseits übereinstimmt mit dem Verhältnis
der Nutenzahl pro Pol und Phase - der sogenannten Spulenunterteilung - und da anderseits
die Polzahlen im reziproken Verhältnis zu den Geschwindigkeiten stehen, so ergibt
sich. für die Nutenzahl des Motors die Bedingung, daß das Produkt aus Spulenunterteilung
und Polpaarzahl jeder der drei Wicklungsschaltungen den gleichen Wert besitzen muß.
- Hierbei ist selbstverständlich die Polpaarzahl aller Wicklungen stets eine ganze
Zahl, und auch die Spulen-Unterteilungen wird man im Interesse gleichmäßiger Drehfelder
auch im allgemeinen auf ganze Zahlen festlegen. Beispielsweise läßt sich ein Motor,
der Geschwindigkeitsstufen von 1/1, 2/3 und 1/2 der vollen Geschwindigkeit haben
soll, und der demgemäß Polpaarzablen der Wicklungen besitzen muß, die sich zu 2
: 3 : 4 verhalten, nur mit Spulenunterteilungen der Wicklungen ausführen, die sich
für diese Polzahlen wie 6: 4: 3 verhalten. Man erkennt, daß das Produkt der ger@ngst
möglichen Spulenunterteilung und der geringst möglichen Polpaarzahl für jeden Betrieb
des Motors = r2 ist. Vielfache davon lassen sich natürlich ohne weiteres herstellen,
Bruchteile jedoch nicht. Wünscht man, um ein anderes Beispiel zu erhalten, Geschwindigkeitsstufen,
die .sich wie r : 3/4: 1/2 verhalten, so müßte man Polpaarzahlen verwenden, die
sich wie 3:4: 6 verhalten und Spulenunterteihungen, die sich wie 4 : 3 : 2 verhalten.
Schließlich würde ein Motor mit Geschwindigkeitsstufen von 1/1, 2/3 und 1/3
ein Polpaarzahlenverhältnis von 2: 3: 6 und Spulenunterteilungen von 3:2:z oder
einem Vielfachen davon erfordern.
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Die zuletzt geschilderten Verhältnisse gelten sowohl für Einphasenmotoren
wie für Mehrphasenmotoren, und bei diesen unabhängig davon, ob Zwei-, Drei- oder
Mehrphasenströme angewandt werden. Für den Rotor derartiger Motoren verwendet man
am besten, so wie es in der Zeichnung dargestellt ist, einen Käfig- i anker beliebiger
Bauart, der für alle Polzahlen ohne weiteres richtig arbeitet. Man kann jedoch auch
Schleifringanker verwenden und wird dann zweckmäßig im Läufer gleichartige Wicklungen
wie im Ständer benutzen.
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Die geschilderten Verhältnisse sind nicht nur für Motoren maßgebend,
sie können auch bei Wechselstromgeneratoren angewendet werden. Sie sind auch für
Wicklungsanordnungen brauchbar, bei denen mehr als drei Geschwin- 1 digkeitsstufen
durch Polumschaltung erreicht werden sollen, wenn auch -diese Anordnungen von geringerer
Bedeutung sind.