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Wicklung für Induktionsmaschinen mit veränderlicher Polzahl. I'@alun@_,cl@altLare
Wicklungen für ein- oder mehrphasige Induktionsmaschinen erford,rn im allgemeinen
außerordentlich viele Wicklungsenden, die zum U nischaltapparat aus der Maschine
herausgeführt «-erden müssen, uni denjenigen Verlauf der Wicklung zu erzielen, der
zur Erzeugung magnetischer Felder mit wahlweise verschiedener Polzahl notwendig
ist. Bei den bisher meist gebräuchlichen Wicklungsarten braucht man tnn Beispiel
für einen Dreiphasenmotor, der mit zwei verschiedenen Polzahlen arbeiten #@ all,
allein für die Statorwicklung bis zu 36 %-erschiedene Wicklungsenden und einen entsprechend
großen Kontaktapparat zur Unischaltung.
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I?s sind verschiedene \-orschläge gemacht worden, uni die Zahl der
Wicklungsenden zu verringern, besonders zu dein Zweck, Wicklungen mit mehrfacher
Polzahl auch ini Rotor verwenden zu können, ohne eine unausführbar große Zahl von
Schleifringen zu erhalten. Die I'rfindung betrifft nun Wicklungen, «-elche sich
sowohl für Rotoren als auch für Statoren zur Ersparung von Wicklungsanschlüssen
und Kontakten ini Schaltapparat besonders gut eignen, da sie für jede I'olzalil
nur eine der Phasenzahl entsprechende Zahl von Anschlüssen erfordern. Sie besteht
darin, (laß die Gesatntwicklulig ztt dieseln Zweck in einzelne Zweige unterteilt,
und (laß diese Zweige, die beim Arbeiten mit den verschiedenen Polzahlen veränderten
Stromdurchfluß besitzen, mehrfach aneinandergeschlossen werden, wie die Seiten und
Sehnen eines Fachwerkpolygons, dessen verschiedene Knoten- oder Eckpunkte dann die
Anschlußstellen der Stromzuleitungen für die verschiedenen Polzahlen bilden. Die
gegenseitige Verbindung der einzelnen Wicklungszweige, also die eigentliche Schaltung
innerhalb der Maschine, braucht dann nicht mehr geändert -7u es ist: vielmehr lediglich
erforderlich, die \'etzansdilüsse, il. h. die Knotenpunkte, denen (1--r Ein- oder
Mehrphasenstroni zugeführt wird, zu wechseln. Man erhält also bei der Wicklung nach
der Erfindung eine sehr geringe Anzahl von Wicklungsenden oder Anschlußpunkten,
die für beliebige Polzahlverhältnissc nur durch das Produkt aus Phasenzahl mal Zahl
der Polumschaltungen gegeben ist.
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Zur Erläuterung der Erfindung ist in Abb. i die Abwicklung des Umfanges
einer Dreiphasenwicklung einfachster Art, und zwar einer Ringwicklung dargestellt,
wohei die Kreise die wirksamen Nutenleiter der drei Phasen darstellen. Die obere
Zeile zeigt die Verteilung der drei Phasen A, B, C. welche zur Entwicklung eines
vierpoligen 1lagnetfeldes auf dem gezeichneten Teile des Umfanges notwendig ist.
Die doppelte Polteilung ist dabei mit 27' bezeichnet. Die untere Reihe stellt die
erforderliche Verteilung der drei Phasen a, h,
c dar, um ein sechspoliges
.Magnetfeld auf demselben Teil des Umfanges zti entwickeln, wobei die doppelte Polteilung
mit =c bezeichnet ist. Aus dein Vergleich der beiden Anordnungen sieht inan, (laß
die Phasen der einzelnen Leiter wie folgt gewechselt ;;-erden in>is@en:
| .4-a 1),-a C-a |
| 1-> ) >>->> C-1) |
| A-c h- c |
Man erkennt außerdem. (laß immer je zwei Leiter in gleichet- `-eise vertauscht werden.
so daß inan diese beiden Leiter zu je einem Stromzweige verbinden kann. Man erhält
somit neun ver>:chierlene Stromzweige, deren Strrnie beim l"bet;gang von der einen
auf die andere Polzahl eine andere Phase erhalten müssen.
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In Abb. a ist nun veranschaulicht, wie diese neun Stromzweige gemäß
der Erfindung
verbunden werden. Die Wicklungszweige, deren Leiter
in Abb. i fortlaufend numeriert sind, sind zu verbinden wie die Seiten und Sehnen
eines F ach-,verkpolygons, dessen Knoten- und Eckpunkte abwechselnd die Anschlüsse
für die verschiedenen Polzahlen bilden. Die Eck- bzw. Knotenpunkte sind in Abb.
2ß und y mit den gleichen Buchstaben bezeichnet wie die Phasen der Abb. i. Wird
dem in dieser Weise mehrfach aneinandergeschlossenen Wicklungssystem an .den Knotenpunkten
A, B, C Spannung zugeführt, so ergibt sich die vierpolige Anordnung gemäß
der oberen Hälfte der A11. i, während beim Anschluß der Netzphasen an die Knotenpunkte
a, b, c sich die sechspolige Anordnung gemäß der unteren Hälfte ergibt. In
dem Fachwerkpolygon (Abb.2ß) sind die einzelnen Sehnen und Seiten mit den gleichen
Ziffern bezeichnet wie die Leiter der Abb. i. Daß man beim Aneinanderschalten der
Wicklungszweige zu diesem Fachwerkpolygon tatsächlich, je nachdem man die Netzphasen
an die Knoten A, B, C oder a, b, c anschließt, die vierpolige oder sechspolige Anordnung
erhält, ist aus Abb. 2a zu ersehen. Hier sind wiederum bei einem Ringanker als Ausführungsibeispiel
z@p8 Spulen dargestellt, die mit den Ziffern i bis 18 bezeichnet sind. Oberhalb
der einzelnen Spulen ist durch die großen und kleinen Buchstaben angegeben, von
welchen Phasenströmen der Leiter in der einen und in der anderen Schaltung durchflossen
wird. Es sind also beispielsweise die Spulen A, a mit ihren Enden an die Klemmen
A, a angeschlossen, die Spulen A, b mit ihren Enden an die Klemmen A, b usw.
In der oberen Hälfte der Abb. 2v. (links mit A,
B, C bezeichnet) ist
die Stromrichtung in der einen, in der unteren (init a, b, c bezeichnet),
in der anderen Schaltung durch Pfeile angeleben. llan erkennt, daß sich tatsächlich
die gewünschte Stromverteilung ausbildet, die in der SchaltungA, B, C die vierpolige,
bei der Schaltung a, b, c (Zeile a., b, c) die sechspolige Anordnung
ergibt. Diese Stromverteilung bewegt sich bei der Speisung mit Drehstr oin über
den Anker hinweg.
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Es ist weiter aus den Abb. 2a und ß zu erkennen, daß die einzelnen
Stromzweige beim Anschluß der Stromzuführungen an die Knotenpunkte zu je dreien
parallel von Strömen durchflossen werden. Zur Herstellung der Wicklung gemäß der
Erfindung ist es somit erforderlich, die Knotenpunkte für die Stromzuführungen der
verschiedenen Polzahlen abwechselnd als Ecken eines Polygons aufzuzeichnen und die
Polygonseiten und Polygonsehnen zu ziehen, die alsdann unmittelbar die verschiedenen
Wicklungszweige und ihre Verbindungen zu Knotenpunkten darstellen. In der Abb. 2ß
sind nur die drei Durchmessersehnen A-a, B-b, C-c des Polygons dargestellt, die
je zwei Knotenpunkte verbinden, die verschiedenen Polschaltungen angehören. Man
kann aber auch noch Sehnen ziehen, die der gleichen Schaltung angehörige Knotenpunkte
verbinden, wie Abb.3 zeigt, wo z. B. A, B oder B, C oder
C, A oder a, b
usw. gezogen sind, und erhält dann Wicklungszweige,
die nur beim Anschluß an das eine System von Strömen durchflossen werden, während
sich in ihnen die Spannungen aufheben, wenn das Wicklungsystem an die anderen Knotenpunkte
angeschlossen, ist. Die Verbindungen zwischen Knotenpunkten, die dem gleichen System
angehören, sind gestrichelt. Hier sind also sämtliche Sehnen des Sechseckes als
Wicklungszweige ausgeführt. Die gestrichelten Sehnen bilden zwei Dreieckswicklungen
für je eine Polzahl, wodurch man bekanntlich Zweigströme einer Phase erhält, die
zwischen den Phasen der anliegenden Netzströme liegt, so daß sich mit Hilfe dieser
Dreieckwicklungen ein gleichmäßigeres Drehfeld herstellen läßt. In vielen Fällen
wird man aber darauf verzichten, diese Dreieckwicklungen herzustellen, um die gesamte
Wicklung jederzeit voll auszunutzen.
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In jedem Falle geht die Umschaltung von einer Polzahl auf die andere
lediglich dadurch vor sich, daß der Leitungsstrang, ,der dien Dreiphasenstrom zuführt,
von den Knotenpunkten des einen Systems, z. B. A, B, C, auf die Knotenpunkte
des anderen Systems a, b, c verlegt wird. Hierfür genügt ein einfacher dreipoliger
Umschalter.
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Die Anordnung gemäß der Erfindung eignet sich nicht nur für Ständerwicklungen,
sondern auch für Läuferwicklungen von Asvnchronmotoren, wo z. B. sechs Schleifringe,
und zwar für jede Polzahl je drei, benutzt werden.
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Die beschriebene Zusammenschaltung der Zweige zu einem Wicklungsfachwerk
hat noch einen besonderen Vorteil, falls man die effektive Windungszahl aller Zweige
zwischen zwei verschiedenen Knotenpunkten gleich wählt. In Abb. 2möge der Drehstrom
durch die Klemmen A, B, C zugeführt werden. Dann fließt beispielsweise dem Knotenpunls-t
a dieser dreiphasige Strom durch drei Wicklungszweige A-a, B-a, C-a. zu,
so da.ß derselbe den Sternpunkt eines Dreiphasensysteins bildet. Spannungen von
der normalen Frequenz treten in ihm daher nicht auf, und .das gleiche gilt natürlich
auch für die Knotenpunkte b und c. Man erreicht damit, daß bei Zuführung des Drehstromes
an die Knotenpunkte der einen Polzahl alle Anschlußknotenpunkte für die andere Polzahl
spannungsfrei .sind. Es kann also durch Berühren
derselben kein
Schaden entstehen; man kann sie sogar erforderlichenfalls kurzschließen.
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Die beschriebene Zusammenschaltung verschiedener Wicklungszweige zu
einem Fachwerk ist nicht nur für drei, sondern für eine beliebige Zahl von Phasen
möglich. In den Abb. q.a, ß, y ist eine vierphasige Anordnung dargestellt, und zwar
für eine Umschaltung von vier auf achtPole. Ebenso wie für Abb. 2a ist in Abb. 4a
eine Ringwicklung, bestehend aus 16 Spulen, dargestellt. Über jeder einzelnen Spule
stehen die Bezeichnungen der Phasenströme, von denen die betreffende Spule in der
einen oder in der anderen Schaltung durchflossen wird. Dabei ist zu beachten, daß
ein Strom in der umgekehrten Richtung in Phase C dem Strom der Phase A gleichgerichtet
ist, und ebenso ein Strom in der umgekehrten Richtung von D dem Strom
| der Phase B, also |
| - C-.1 |
| - 1)= B |
| und entsprechend |
| - a.- c |
| -d -b. |
In den einzelnen Zeilen ist für die verschiedenen Phasenschaltungen, die links angegeben
sind, durch Pfeile die Stromrichtung angegeben. Die Spulen selbst sind fortlaufend
numeriert. Die gleichen Zahlen der Spulen finden sich an den Seiten und Sehnen des
Fachwerkpolygons, zu dem die Wicklungszweige zusammengeschlossen sind. Man erkennt
auch hier ohne weiteres, daß durch Anschluß der Netzleitungen an die Knotenpunkte
A, B, C, D die vierpolige Anordnung, beim Anschluß der Netzleitungen an die
Knotenpunkte
a, b, c, d die achtpolige Anordnung entsteht.
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Bei der in Abb. 4.ß gezeichneten Anordnung sind die Sehnen weggelassen,
die Knotenpunkte des gleichen Systems miteinander verbinden, also jene Sehnen, die
den gestrichelten Linien der Abb. 3 entsprechen. An jedem Knotenpunkt sind daher
vier Wicklungszweige einander parallel geschaltet.
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Das Fachwerkpolygon für eine Fünfphasenanordnung, bestehend aus den
Phasen A, B, C, D, E der einen Schaltung und den Phasen d, b, c, d,
e der ander.°_n Schaltung ist in Abb. i veranschaulicht. Auch hier läßt sich ohne
weiteres jede beliebige Polzahl erzielen. Die Verteilung der Wicklung auf dem Umfang
kann in ähnlicher Weise wie bei den Anordnungen der Abb.2.i. und 4.a abgeleitet
werden.
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Der Zusammenschluß von Wicklungszweigen gemäß der Erfindung ist auch
dann anwendbar, wenn es sich darum handelt, mehr als zwei Polzahlen zu erzielen.
Abb. 6 zeigt beispielsweise die Verbindung von zwölf Wicklungszweigen zu einem Fachwerk
von sechs Knotenpunkten, das jedoch numnehr dazu dienen soll, drei verschiedene
Polzahlen durch umschaltbaren Einphasenstrom zu erzeugen. Dementsprechend tragen
j e zwei diametral gegenüberliegende Knotenpunkte. die verschiedenartig dargestellt
sind, die Bezeichnungen A, B, a, b, a, f> und werden dementsprechend
wahlweise an den einphasigen Leitungsstrang angeschlossen Durch Umlegen der Anschlüsse
erhält tnan verschiedene Stromrichtungen in den verschiedenen Zweigen oder Stromlosigkeit,
so daß sich drei Polzahlen erzeugen lassen.
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Die eigentliche Schaltung ist wiederum in Abb.6a an einer Ringwicklung
dargestellt. Oberhalb der einzelnen Spulen sind die Phasen angegeben, von denen
die Spulen in den einzelnen Schaltungen durchflossen werden. Aus der Abb. 6 ist
ersichtlich, daß wiederum die elektromotorischen Kräfte in einzelnen Wicklungszweigen
sich aufheben werden, und zwar für ein System von Knotenpunkten in den Wicklungszweigen,
die symmetrisch zu den Knotenpunkten dieses Systems liegen und die Knotenpunkte
des anderen Systems verbinden. Also heben sich beispielsweise beim Anschluß der
Netzleitungen an die Knotenpunkte A, B die Spannungen in den Wicklungszweigen
ß, a und ß, b sowie b, a und a, a auf, so daß, wie auch aus Abb. 6a hervorgeht,
diese Wicklungszweige in den jeweiligen Schaltungen stromlos bleiben. Würde man
die Stromwege von den Sammelschienen A bzw. a, a verfolgen, so würde
sich ergeben, daß sich in den einzelnen Schaltungen aufhebende Ströme gleicher Phase
ergeben. Aus den eingezeichneten Pfeilen der wiederum fortlaufenden Leiter der Abh.6a
ist ersichtlich, daß sich die Umschaltung der Polzahlen von zwei auf vier auf sechs
Pole, allerdings mit gewissen Unregelmäßigkeiten, ergibt.
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Ein Wicklungsschema für drei dreiphasig erregte Polzahlen, das demgemäß
neun Anschlußknotenpunkte A, B, C, a, b, c, a, ß, y besitzt, zeigt
Abb. 7. Es enthält 27 verschiedenartige Zweige, die je nach Wahl der Anschlüsse
und der Polzahl in verschiedener Weise von den mehrphasigen Strömen durchflossen
werden. Abb. 8 zeigt weiterhin ein Schema für vier verschiedene Polzahlen, die durch
Anschließen eines einphasigen Leitungsstranges an acht verschiedene Knotenpunkte
AB, ab, aß, AB erzielt werden können. Bei allen diesen Wicklungen sind stets
die nicht benutzten Knotenpunkte spannungsfrei, wenn man, wie es gewöhnlich möglich
ist, alle einzelnen Wicklungszweige mit gleicher effektiver Windungszahl herstellt.
Bei
den zuletzt beschriebenen Wicklungen mit mehr als zwei Polzahlen werden beim Ausführen
aller gezeichneten Stromzweige nicht alle Sehnen (Wicklungszweige) zwischen den
v erschiedenpoligen Knotenpunkten vom Strom jeder Polzahl durchflossen. In Abb.
9 ist z. B. das Wicklungsbild 7 nochmals dargestellt, wobei nur diejenigen Wicklungszweige
voll gezeichnet sind, die beim Anschluß der Drehstromleitungen an die Knotenpunkte
A, B, C vom Strom durchflossen werden. Man erkennt, daß von den z7 vorhandenen
Wicklungszweigen 9 die gestrichelt dargestellten Zweige stromfrei sind. Das gleiche
ist mit neun anderen Stromzweigen beim Anschluß der Leitungen an andere Knotenpunkte
der Fall. Die gesamte Wicklung ist also in jedem Fall nur zu =/3 ausgenutzt. In
vielen Fällen ist nun die Leistung, die von der Wicklung erfordert wird, bei einer
Polzahl überwiegend groß, bei den anderen Polzahlen nur geringer. Es ist alsdann
zweckmäßig, diejenigen Zweige, die bei dieser Hauptpolzahl stromfrei sind, ganz
fortzulassen, so daß also alle überhaupt vorhandenen Zweige Strom führen und die
Wicklung daher voll ausgenutzt ist. Bei den anderen Polzahlen werden dann immer
nur einige der Wicklungszweige Strom führen, was aber wegen der jetzt geringeren
Leistung weiter nichts schadet. Man erhält hierdurch insgesamt eine besser ausgenutzte
Maschine.
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Während in Abb. r, die nur zur Erläuterung der möglichen Verteilung
der Ströme auf dem Wicklurngsumfang dienen soll, eine Einschichtwicklung dargestellt
ist, bei welcher der mehrphasige Strom auf jeder doppelten Polteilung nur dreimal
seine Phase wechselt, ist es natürlich auch möglich, irgendeine der bekannten Zweischichtenwicklungen,
oder eine mit sechsmaligem Phasenwechsel auf die doppelte Polteilung, oder eine
beliebige der sonst noch möglichen Kombinationen anzuwenden. Es kann sogar vorteilhaft
sein, Dreischichtenwicklungen zu verwenden, bei denen man die Möglichkeit hat, etwa
durch getrenntes Durchleiten jedes Dreiphasenstromes durch j e eine Schicht eine
häufigere Überlappung der verschiedenphasigen Wicklungszonen am Umfange zu erzielen
und dadurch die bei Wicklungen für Polumschaltung häufig auftretenden schädlichen
Oberfelder möglichst zu vermindern. Ob die den verschiedenen Polzahlen entsprechenden
Drehfelder im gleichen oder entgegengesetzten Sinne umlaufen, ist im Grunde gleichgültig;
beides läßt sich stets durch passende Zuordnung der verschiedenen Leiter erreichen.
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Die beschriebenen Wicklungen lassen sich auch mit großem Vorteil für
polumschaltbare Generatoren verwenden. Bei diesen Generatoren braucht dann die Arbeitswicklung
nicht umgeschaltet zu werden; lediglich die Erregerpole werden in der üblichen Art
umgeschaltet. Durch Umschaltung der Erregerpole entstehen -.dann j e nach der Schaltung
an dem einen oder anderen System von Knotenpunkten Spannungen, während die übrigen
spannungslos bleiben. Führt man nun Generatoren und Motoren mit der gleichen Polumschaltung
aus und verbindet die einander zugehörigen Knotenpunkte von Generator und otor durch
Leitungsstränge, so sind in den Starkstromkreisen Schalteinrichtungen überhaupt
nicht erforderlich. Je nach der Schaltung der Erregerpole wird Spannung an dem einen
System der Knotenpunkte des Generators erzeugt und durch die Leitungsstränge clem
entsprechenden System von Knotenpunkten in dem Fachwerkpolygon der ':Motorwicklungen
zugeführt.