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Asynchronmotor mit primärer Zweischichtwicklung aus gleichen Spulen.
Beim hntwurf der Primärwicklung von Asynchronmotoren mit Käfiganker ist es erforderlich,
Vorkehrungen gegen die Erzeugung höherer Harmonischer des Kraftflusses und Stromes
zu treffen, da diese für den Betrieb schädlich sind. Insbesondere muß vermieden
werden, daß der Motor beim Einschalten im Stillstand festgehalten wird oder daß
er asynchron oder synchron mit untersynchroner, sogenannter schleichender Geschwindigkeit
läuft. Diese nachteiligen Erscheinungen werden durch höhere Harmonische der primären
Stromverteilung oder durch Schwankungen des magnetischen Widerstandes des Luftspaltes
oder durch die vereinigte Wirkung beider Ursachen in bestimmter gegenseitiger Beziehung
hervorgerufen.
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Die Harmonischen der primären Stromverteilung, die sogenannten Harmonischen
der Wicklung, können durch besondere Spulenteüung in Verbindung mit den Verteilungskonstanten
verringert werden. Diese Teilung hängt von der Phasenzahl und Art der benutzten
Wicklung ab. Die Harmonischen des Luftspaltwiderstandes können durch sorgfältige
Wahl der primären und sekundären Nutenzahlen berücksichtigt werden. Auch andere
Umstände sind noch bei der Aufgabe der Beseitigung schädlicher Harmonischer zu berücksichtigen.
So ist es beispielsweisse wünschenswert, daß der Wicklungsraum vollständig und wirksam
ausgenutzt wird, und daß die Endverbindungen einfach sind und keinen zu großen Kupferaufwand
erfordern. Vom fabrikatorischen Standpunkt aus ist ferner erwünscht, daß die Spulen
einander gleich bzw. ähnlich und leicht auswechselbar sind. Die Erfindung bezieht
sich auf eine zweischichtige Primärwicklung für Asynchronmotoren beliebiger Phasenzahl,
in welcher alle diese Umstände gemeinsam berücksichtigt und die idealen Bedingungen
in hohem Maße verwirklicht sind.
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Die Zeichnung zeigt in Abb. z ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,
und zwar für einen zweipoligen, dreiphasigen Käfigankermotor, dessen zweischichtige
Primärwicklung (Ständerwicklung) in der üblichen Weise dargestellt ist. Die Abb.
z zeigt ein zur Erläuterung der Erfindung dienendes Vektordiagramm.
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Der Ständer hat 36 Nuten. In jeder Nut liegen zwei Spulenseiten, und
zwar die eine über der anderen. Die drei Phasen sind durch verschiedene Linienführung
unterschieden. Die Phase A ist durch dünne, die Phase B durch dicke,
voll ausgezogene Linien dargestellt, die Phase C durch gestrichelte Linien. Alle
Spulen sind einander ähnlich.
Bisher galt allgemein die Ansicht,
daß .es unter dem Gesichtspunkt der Stromverteilung für jede gegebene Phasen- und
Nutenzahl pro Pol am besten sei, alle Spulen einer Phase für jeden Pol in benachbarten
Nuten unterzubringen. Diese Annahme trifft augenscheinlich zu, wenn ausschließlich
die Stromverteilung für die Grundwelle betrachtet wird. Wenn aber auch die Harmonischen
in Betracht gezogen werden, dann kann es zweckmäßiger sein, hinsichtlich des höchsten
Wertes des Wicklungsfaktors für die Grundwelle ein kleines Opfer zu bringen, um
die Wicklungsfaktoren von Harmonischen zu verringern. Ubemäß der Erfindung wird
dies durch gegenseitige Vertauschung der Randspulen benachbarter Phasenbänder ohne
wesentliche Beeinträchtigung der Stromverteilung für die Grundwelle und ohne Opfer
an mechanischer Einfachheit erreicht. Diese Anordnung wird durch Abb. i veranschaulicht.
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Die zweipolige, dreiphasige Wicklung der Abb. i ist in Stern geschaltet,
der Sternpunkt ist mit i o bezeichnet; 11, 12 und 13 sind die Netzanschlüsse
der drei Phasen A, B und C. Die Verbindungen zwischen den Spulen eines Phasenbandes
werden durch die kurzen Verbindungen i q. und die etwas längeren Verbindungen 15
gebildet, die Verbindungen von einer Polwicklung zur anderen durch die Verbindungen
16. Die Spulenteüung be= trägt, wie dies jetzt allgemein üblich ist, ungefähr 61
Prozent, wodurch die Wicklung vori der siebenten Harmonischen befreit wird.
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Betrachtet man eine Schicht dieser Wicklung, so ergibt sich, daß die
Phasen in den Nuten pro Pol in folgender Reihe aufein.-anderfolgen: CAAAABABBBBBCBCCCCA,
während die übliche Äraordnung AAA.4 AABBBBBBCCCCCC ist. Bei der erstgenannten Anordnung
sind die Randspulen der aneinanderstoßenden Phasenbänder gegenseitig vertauscht,
also die Randspulen jeder Phase zwischen Spulen der anstoßenden Phase zwischengeschachtelt.
Diese Zwischenschachtelung erweist sich, wie sich aus der üblichen Veranschaulichung
der Wicklungskonstanten durch ein Vektorpolygon (s. Abb. 2) ergibt, als äußerst
vorteilhaft hinsichtlich der Unterdrückung der fünften Harmonischen, ohne die Verteilung
der Grundwelle nennenswert zu berühren. -In dem Vektorpolygon der Abb. 2 sind die
Wicklungsfaktoren für die übliche Wicklungsanordnung und für eine Wicklungsanordnung
nach Abb. i, und zwar sowohl für die Grundwelle als auch für die fünfte Harmonische
dargestellt. Im vorliegenden Falle haben wir sechs Nuten pro Phasenband. Das ganze
Phasenband entspricht daher 6o elektrischen Graden, und die Nutenspannungen sind
unter Winkeln von io° (elektrisch) geometrisch zu addieren. Der Wicklungsfaktor
für die gewöhnliche Wicklung ergibt sich gemäß Abb. 2 in der üblichen Weise als
die Länge der Sehne 2.o-21. Unter dem Wicklungsfaktor ist hier, wie üblich, das
Verhältnis der Vektorsumme zur algebraischen Summe der Spannungen, die aus der Reihenschaltung
der Leiter der benachbarten Nuten resultiert, verstanden. Rechnerisch ergibt sich
für die gewöhnliche Wicklung der Wicklungsfaktor wie folgt:
Bei der Wicklung mit @Zwischenschachtelung sind die Randspulen eines Phasenbandes
von den übrigen Spulen derselben Phase durch je eine Nut getrennt, so daß für die
Randspulen der Spannungsvektor für die Grundwelle gegen denjenigen der vorhergehenden
desselben Phasenbandes um 20° statt um io°, wie bei der normalen Wicklung, verschoben
ist. Dies gibt die gestrichelten Linien z2-23 und 2¢.-25. Der Wicklungsfaktor Grundwelle
der Wicklung mit Zwischenhachtelung wird daher durch die Länge der s Sehne 22-25
dargestellt. Rechnerisch ergibt sich hierfür: n -e 50
sich-hierfür:
Dies ist nur um ein geringfügiges weniger als für die normale Wicklung.
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Betrachten wir nun die fünfte Harmonische, so entsprechen für diese
die Nut nabstände elektrischen Graden, d. h. für die fünfte Harmonische sind die
Spannungsvektoren der aufeinanderfolgenden Nuten um 50° gegeneinander verschoben,
und es ergibt sich für das ganze Phasenband bei- der bisher-üblichen Wicklung das
offene Polygon 26, 27, 28, und der Wicklungsfaktor ist gegeben durch die Länge der
Sehne 26-28. Rechnerisch ergibt
In den meisten Fällen würde eine Harmonische von dieser Größe schädlich sein und
veranlassen, daß der Motor mit untersynchroner Geschwindigkeit läuft.
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Für die Wicklung mit Zwischenschachtelung ist der Spannungsvektor
@ für die Randspulen des Phasenbandes gegenüber den nächstliegenden Spulen desselben
Phasenbandes nicht um 50°, sondern um ioo°- verschöben, das Vektordiagramm ist also
jetzt durch den
Linienzug 29-31-27-33-3o und der Wicklungsfaktor
durch die Länge der Sehne 29-3o gegeben. Rechnerisch ergibt sich hierfür:
Vergleicht man diese Werte, so zeigt sich, daß durch die Zwischenschachtelung der
Spulen der Wicklungsfaktor für die Grundwelle nur um 3 Prozent, dagegen derjenige
für die fünfte Harmonische um ; 1° verringert ist. Die fünfte Harmonische ist daher
so weit verringert, daß die Neigung des Motors, eine schleichende Geschwindigkeit
anzunehmen, 0,95-0,15 verna.chlässigbar und harmlos wird, während 0,1425 die Verteilung
für die Grundwelle nicht nennenswert herabgesetzt ist.
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Die gleiche Betrachtung gilt für die andere Schicht der in weibb.
i dargestellten schichtwicklung, und die Überlagerung der beiden Schichten ,ändert
nichts an der weitgehenden Beseitigung der Harmonischen in jeder Schicht. Infolge
der Anwendung einer Zweischichtwicklung kann die Spulenteilung geändert werden,
ohne die Wirkung der wischenschachtelung in den getrennten Schichten zu beeinträchtigen.
Daher kann eine pu enteilung gewählt werden, welche die Maschine von einer bestimmten
schädlichen Harmonischen, beispielsweise, wie üblich, an der siebenten Harmonischen,
annähernd befreit; ferner können die Spulen zwischengeschachtelt werden, um in der
Wicklung andere schädliche Harmonische, beispielsweise die fünfte, annähernd zu
beseitigen.
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In den meisten Fällen dürfte die Nutenzahl derartig sein, daß es nicht
möglich ist, durch die verringerte Spulenteilung und durch die Zwischenschachtelung
eine oder zwei Harmonische ganz zu unterdrücken; aber jede der beiden Methoden kann
eine wesentliche Herabsetzung der Nachteile von zwei Harmonischen herbeiführen.
Die Wirkung der gleichzeitigen Benutzung beider Methoden ist die, daß die Reduktionsfaktoren
beider Methoden sich multiplizieren. So verringert in dem gewählten Beispiel eine
Spulenteilung von 61 Prozent gegenüber einer Durchmesserwicklung die Größe der fünften
Harmonischen auf 95 Prozent und diejenige der siebenten Harmönischen auf 27 Prozent.
Die Zwischenschachtelung, die in diesem Falle in ihrer Wirkung einer Verringerung
der Polteilung auf 83 Prozent gleichkommt, verringert die Größen der beiden Harmonischen
gegenüber der Durchmesserwicklung auf 15 bzw. 19 Prozent. Die kombinierte Wirkung
ist eine Verringerung der fünften Harmonischen auf und der siebenten Harmonischen
= auf o,27 ;< o,19 = o,o51q. der Werte der Durchmesserwicklung. Dabei wird dies
erreicht ohne nennenswerte Erniedrigung der Wirksamkeit der Maschine im normalen
Betrieb. Der Ständerumfang ist vollständig ausgenutzt ohne leere Spulen oder Nuten,
die Spulen sind alle einander ähnlich und erfordern keine verwickelten oder langen
Endverbindungen.
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Es ist nicht immer leicht, vorauszusehen, ob eine besondere Maschine
schädliche Harmonische aufweisen wird oder nicht. Die Erfindung ermöglicht, in leichter
Weise die Verbindungen der Maschine zu ändern, nachdem sie auf den Probierstand
gekommen ist,- um so eine daselbst festgestellte schädliche Harmonische auf einen
unschädlichen Wert herabzudrücken. Es ist hierzu eben nur erforderlich, die Randspulen
zu vertauschen,