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Induzierte Wicklung mit gegenüber der großen Polteilung verlängertem
oder verkürztem Wickelschritt für Ein- und 19lehrphasenmaschinen= mit zwei verschiedenpoligen
Blagnetfeldern Es sind Ein- oder Mehrphasenmaschinen mit zwei verschiedenpoligen
Magnetfeldern beschrieben worden, bei denen in zwei getrennten Wicklungen oder in
einer umschaltbaren Wicklung Wechsel- oder Mehr _phasenströme höherer oder niederer
Frequenz entnommen oder zugeführt werden können und bei welcher ein beliebig verkürzter
oder verlängerter Wickelschritt verwendbar ist, da hier die Aufhebung der durch
das Magnetfeld der größeren Polzahl induzierten Spannungen nicht durch die Bemessung
des Wickelschrittes, sondern, dadurch geschieht, daß jede Gruppe der pro Pol und
Phase hintereinandergeschalteten Spulenseiten der Wicklung für die niedere Frequenz
einen Bruchteil der großen Polteilung bedeckt, welcher ein gerades Vielfaches der
kleinen Polteilung- bildet.
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Bei der Ausführung dieser Wicklung stößt man jedoch auf Schwierigkeiten,
wenn man eine Umschaltung von Wicklungsteilen vermeiden und aus derselben Wicklung
gleichzeitig beide Frequenzen entnehmen will, und zwar rührt dies daher, daß zu
viele Spulen: seiten pro Pol und Phase direkt hintereinandergeschaltet werden müssen.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Beseitigung solcher Schwierigkeiten.
Wenn die in Betracht gezogene Wicklungsanordnung für die niedere Frequenz geschaltet
ist, erfolgt die Aufhebung der unerwünschten induzierten Spannungen höherer Frequenz
dadurch, daß die von einem Pol der größeren Polzahl in einer Gruppe von hintereinandergeschalteten
Spulenseiten induzierte Spannung durch die von dem benachbarten und daher ungleichnamigen
Pol in derselben Gruppe von Spulenseiten induzierte Spannung aufgehoben wird. Dieselbe
Wirkung kann nun offenbar dadurch erzielt werden, daß man zwei Gruppen von Spulenseiten
hintereinander schaltet, von denen die erste in .an sich bekannter Weise nur einen
Bruchteil einer Polfläche der größeren Polzahl bedeckt und die zweite den genau
entsprechenden Bruchteil der benachbarten oder auch einer anderen ungleichmäßigen
Polfläche. Man kann somit eine Wicklung aufbauen, die dadurch den .gewünschten Zweck
erfüllt, daß sie sich aus Paaren solcher Gruppen von Spulenseiten zusammensetzt,
von denen jede mit der zugeordneten Gruppe unmittelbar oder gegebenenfalls mittelbar
über einen Transformator so verbunden ist, daß die von dem Felde der nicht erwünschten
Fregwenz induzierten Spannungen sich aufheben. Diese Anordnung gibt dem Konstrukteur
eine größere Bewegungsfreiheit,
da er nun nicht mehr an die Bedingung
gebunden ist, daß die pro, Pol und Phase hintereinandergeschalteten Spulenseiten
ein ganzes gerades Vielfaches der Polteilung für die höhere Frequenz bedecken müssen.
Auch bei dieser Anordnung ist der Wickelschritt noch innerhalb gewisser Grenzen
beliebig, und man wird ihn aus bekannten Gründen vorzugsweise gegenüber dem vollen
Wickelschritt für die kleinere Polzahl verkürzen.
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Im nachfolgenden soll die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert
werden. In Abb. ia sind die beiden Magnetfelder der Maschine in ihrem zeitlichen
Verlauf dargestellt. Die stark ausgezogene Kurve gibt den Verlauf des Magnetfeldes
geringerer Polzahl, die schwächer ausgezogene Kurve denjenigen des Magnetfeldes
höherer Polzahl an. Das Verhältnis der Polzahlen ist, wie die Abbildung zeigt, des
Beispiels halber als i : 3 angenommen, doch sind natürlich auch andere Polzahlverhaltnisse
möglich.
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In Abb. ib ist als Ausführungsbeispiel eine Wicklung gemäß der Erfindung
dargestellt. Der Übersichtlichkeit halber sind in den einzelnen Wicklungszügen nicht
sämtliche Wicklungselemente zur Darstellung gebracht, die zu einer der ein Paar
bildenden Gruppen gehören, sondern es ist immer eine Gruppe solcher Wicklungselemente
durch einen einzigen Leiter verkörpert. In der Abbildung sind dies die Leiter 11,
12 und Ig. Der Bruchteil der Polfläche der größeren Polzahl, welchen die durch den
Leiter Il verkörperte Gruppe von Spulenseiten bedeckt, ist gemäß den Abb. ia und
ib ein Drittel. Ebenso wird von den durch die Leiter I2 und Ig verkörperten Gruppen
von Spulenseiten je ein Drittel der zugehörigen Polteilung des Feldes höherer Frequenz
bedeckt. Diese Polteilung des Feldes höherer Frequenz ist in den Abb. ia und ib
mit a, die Polteilung des Feldes niederer Frequenz mit b bezeichnet. Der Wickelschritt
der Spulen ist ein beliebiger verkürzter oder verlängerter. In der Abb. ib ist des
Beispiels halber ein gegen b verkürzter, mit c bezeichneter Wickelschritt angenommen.
Der Übersichtlichkeit halber sind die Gruppen von Spulenseiten, welche die Polflächen
IIIl, Ih, 1112, 112, IIIg, IIs bedecken, in der Abb. ib nicht dargestellt.
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Verfolgt man unter Berücksichtigung der Abb. ia und ib den Verlauf
der 'in den Spulengruppen Il, 12 und I3 induzierten Spannungen, so. ergibt sich
zunächst, daß alle diese Spulengruppen von beiden Magnetfeh dern gleichzeitig induziert
werden. In den Abbildungen der Zeichnung sind die von dem Magnetfelde niederer Frequenz
induzierten Spannungen durch starke einfache Pfeile, die von dem Magnetfeld höherer
Frequenz induzierten Spannungen durch schwächere Doppelpfeile dargestellt. In der
Spulengruppe Il ist die vom Magnetfelde niederer Frequenz induzierte Spannung mit
der vom Magnetfeld höherer Frequenz induzierten Spannung im gleichen Sinne gerichtet.
Dasselbe ist der Fall in der Spulengruppe Iß, wogegen in der Spulengruppe 12 die
vom Felde höherer Frequenz induzierte Spannung der vom Felde niederer Frequenz induzierten
Spannung entgegengerichtet ist. Es .gehört nun zu den Aufgaben der Erfindung, die
Spulengruppen der Wicklung so. zu schalten, daß diese verschieden frequenten Spannungen
sich gegenseitig nicht stören, sondern möglichst voll ausgenutzt werden können.
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Gemäß Abb. ib geschieht dies in folgender Weise. Beginnt man. den
Verlauf des Wicklungsganges an dem mit I(1 bezeichneten Spulenanfang, so geht man
von dort zunächst durch die Gruppe von Spulenseiten h unter Durchlaufung auch der
zugehörigen punktiert gezeichneten rechten Seiten dieser Spulen. In diesen rechten
Seiten, .die überwiegend unter dem Einfluß eines ungleichnamigen Magnetpoles liegen,
werden Spannungen induziert, die zwar den in der linken Gruppe von Spulenseiten
induzierten nach Größe und Phase nicht genau gleich sind, sich zu ihnen aber geometrisch
addieren. Im weiteren Verlauf der Beschreibung soll daher auf diese Spannungen nicht
besonders Rücksicht genommen, sondern stillschweigend vorausgesetzt werden, daß
sie lediglich ein verstärkender Teil der in den links liegenden Gruppen von Spulenseiten
induzierten Spannungen sind, so daß also prinzipiell nur diese letzteren in Betracht
gezogen zu werden brauchen. Man verbindet dänn das Ende dieser Spulengruppe mittels
der ausgezogenen kreisbogenförmigen Verbindung mit dem Anfang .der nächsten Spulengruppe
12 und durchläuft diese Spulengruppe bis zu dem mit K2 bezeichneten Spulenende;
Il und 12 bilden so ein Gruppenpaar. In diesem gesamten Wicklungszug addieren sich
die vom Magnetfelde geringerer Frequenz induzierten, durch die starken einfachen
Pfeile dargestellten Spannungen, wogegen die vom Magnetfelde höherer Frequenz induzierten,
durch die schwächeren Doppelpfeile dargestellten Spannungen sich aufheben. Durch
diese Reihenschaltung der Spulengruppen Il und I2 ist man somit in der Lage, an
den, Klemmen K1 und K2 Wechselstrom niederer Frequenz zu entnehmen, wogegen der
Wechselstrom höherer Frequenz an diesen Klemmen unwirksam ist.
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Wünscht man aus der Wicklung nach Abb. ib Wechselstrom der höheren
Frequenz zu entnehmen, so muß man, von Klemme K'
beginnend, erst
die Gruppe I1 durchlaufen, darauf, wie die punktiert gezeichnete kreisbogenförmige
Verbindung andeutet, nach Klemme 1K2 gehen, von dort die Gruppe I° in umgekehrter
Richtung wie vorher durchlaufen und den Anfang dieser Gruppe mit dem Anfang der
Spulengruppe 13 verbinden, um letztere im gleichen Sinne zu durchlaufen wie die
Gruppe I1, bis schließlich die Klemme I(3 als Ende des gesamten Wicklungszuges erreicht
wird.
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Verfolgt man bei dieser Schaltung die in den Spulengruppen Ir, 12
und 13 induzierten Spannungen höherer Frequenz gemäß den Doppelpfeilen, so
wird man feststellen, daß diese in bezug .auf die Klemmen 1K1 und Kn in sämtlichen.
Spulengruppen gleichsinnig in Reihe geschaltet sind und sich daher addieren. Die
von dem Magnetfeld niederer Frequenz induzierten Spannungen äußern dagegen an den
Klemmen I('1 und Kn keine Wirkung, denn aus Abb. ia und ib ergibt sich, daß in bezug
auf das Magnetfeld niederer Frequenz die Spulengruppen I1, I2 und 18 die drei Phasen
einer Drehstromwicklung darstellen. In einer solchen ist aber bekanntlich die Summe
der in den drei Phasen induzierten Spannungen gleich Null. Man wird also bei der
zuletzt beschriebenen Schaltung an den Klemmen K1 und K3 unter Ausnutzung der vollständigen
Wicklung nur Wechselstrom der höheren Frequenz entnehmen.
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In den Abb. ia und id sind der übersichtlichkeit halber die beiden,
soeben an Hand von Abb. ib beschriebenen Schaltungen schematisch dargestellt. In
Abb. ic ist die Spulengruppe Il mit I2 so in Reihe geschaltet, daß die von dem Magnetfeld
niederer Frequenz induzierten Spannungen gemäß den starken einfachen Pfeilen sich
addieren, während die vom Magnetfeld höherer Frequenz induzierten Spannungen gemäß
den schwächeren Doppelpfeilen sich ,aufheben. Die Spulengruppe I3 ist bei dieser
Schaltung, wie schon. bezüglich Abb. ib ausgeführt wurde, unbenutzt. Die Abnahme
des Stromes niederer Frequenz erfolgt daher an den Klemmen I(1 und K2.
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Abb. id zeigt ein Schema für die Verwendung der Wicklung für die höhere
Frequenz. Die Spulengruppen Il und In liegen, wie die Pfeile zeigen, unverändert
wie in Abb. i c. Die Spulengruppe 12 ist aber, wie die Pfeile andeuten, mit vertauschten
Enden mit den beiden anderen Spulengruppen in Reihe geschaltet. Die Abnahme oder
Zuführung des Stromes erfolgt an den beiden äußersten Enden des Wicklungszuges,
also an den Klemmen I(' und 1K3. Wie die schwächeren Doppelpfeile zeigen, sind die
vom Felde höherer Frequenz induzierten Spannungen hierbei gleichsinnig in Reihe
geschaltet, wogegen die durch das Magnetfeld niederer Frequenz in den Spulengruppen
induzierten, durch die starken einfachen Pfeile dargestellten Spannungen sich, wie
oben erwähnt, als Summe der drei Phasenspannungen eines Drehstromes zu Null ergänzen.
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Aus den Abb. ib, ic und id folgt, daß die Wicklung bei dieser Anordnung
immer nur Strom der einen oder der anderen Frequenz abgeben oder aufnehmen kann,
nicht aber Ströme beider Frequenzen gleichzeitig. Unter Umständen ist es aber erforderlich,
entweder gleichzeitig zwei verschiedene Frequenzen aus der Maschine zu entnehmen
oder aber die Maschine als Frequenzumformer zu benutzen, indem Strom der einen-
Frequenz in die Maschine hineingeleitet und Strom der anderen Frequenz aus ihr entnommen
wird. Um diesen Zweck zu erfüllen, muß die Wicklung weiterhin offenbar so angeordnet
werden, daß in bezug ,auf die Anschlußpunkte für den Strom niederer Frequenz die
Spulengruppe 12 mit I1 hintereinandergeschaltet ist, während sie in bezug auf die
Anschlußpunkte für den Strom höherer Frequenz h und I3 entgegengeschaltet ist.
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Eine Anordnung dieser Art ist in Abb. z dargestellt. In dieser ist
ähnlich wie in Abb. id die Spulengruppe I' mit 12 und 13 in Reihe geschaltet, wobei
wiederum Gruppe 12 wie in Abb. id mit vertauschten Enden angeschlossen ist. Die
Entnahme des Stromes höherer Frequenz erfolgt daher an den äußersten Enden des gesamten
Wicklungszuges, d. h. an den Klemmen K1 und Kn, wie bereits beschrieben.
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Um nun ohne Umschaltung der Spulengruppe I2 und gleichzeitig mit der
Entnahme von Strom höherer Frequenz auch solchen niederer Frequenz entnehmen zu
können, wird die Umschaltung der Spulengruppe 12 in Bezug auf den Stromkreis niederer
Frequenz nicht durch Vertauschung der Enden, sondern transformatorisch bewirkt,
indem an -die Enden der Wicklung h die Primärwicklung eines Transformators t angeschlossen
ist, dessen Sekundärwicklung in geeigneter Weise mit der Spulengruppe I1 in Reihe
geschaltet ist. Die Entnahme des Stromes niederer Frequenz erfolgt nunmehr zwischen
der freien Klemme der Transformator-Sekundärwicklung und der Klemme I(2. Wie die
starken einfachen Pfeile in Abb. a zeigen, addieren sich dann die den Spulengruppen
11 und 12 entsprechenden Spannungen niederer Frequenz, während, wie aus den
Doppelpfeilen folgt, sich die Spannungen höherer Frequenz in diesen Spulengruppen
aufheben.
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Die Abb.3a und 3b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,
bei dem ebenfalls die leichzeitige Abgabe oder Auf-Z>
nahme von
Wechselströmen verschiedener Frequenz ohne Umschaltung von Wicklungsteilen möglich
ist. Der Übersichtlichkeit halber möge das Prinzip der Anordnung zunächst an Hand
der Abb.3b erläutert werden. Es ist bekannt, daß man bei einer Brückenschaltung
an zwei Diagonalpunkten Strom einer bestimmten Art und gleichzeitig an den beiden
anderen Diagonalpunkten Strom einer anderen Art zuführen oder abnehmen kann, ohne
da.ß diese beiden Ströme sich im geringsten stören. Von diesem Prinzip wird bei
der Anordnung nach den Abb. 3a und 3b Gebrauch .gemacht. Wie bei der Anordnung nach
den Abb. ib, ic und id werden für die Entnahme des Stromes niederer Frequenz nur
die Spulengruppen 11 und 12 benutzt, während für die Entnahme des Stromes
höherer Frequenz auch die Spulengruppe 13 mitbenutzt wird. Da in der Brückenschaltung
je zwei Zweige einander gleich sein müssen, wird abweichend von Abb. ib jeder Bruchteil
einer Polfläche des Feldes höherer Frequenz zweimal von einer gleichartigen Gruppe
von Spulenseiten bedeckt, wie in Abb. 3a angedeutet. Der zweite Zweig kann aber
auch einem anderen Polpaar zugeordnet sein. Im ersteren Falle können die die beiden
,gleichen Zweige bildenden Spulenseiten in denselben Nuten entweder übereinander
oder nebeneinander liegen.
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Verfolgt man in Abb.3a den Verlauf der induzierten Spannungen, von
PunktA beb--innend, so gehen von diesem zwei parallelgeschaltete Stromzweige aus,
nämlich i. durch die Spulenseitengruppe I1 und die zugehörige punktiert gezeichnete
rechte Seite derselben nach dem Punkt C; von dort durch die kreisbogenförmige Verbindung
nach der Spulengruppe 12 zum Punkt B.-2. von A durch die kreisbogenförmige Verbindung
durch die Spulengruppe 12' nach PunktD; von dort durch die kreisbogenförmige Verbindung
nach der Spulengruppe Il' und durch diese nach Punkt B.
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Dieser Teil des Wicklungszuges ist schematisch durch das die Brückenschaltung
darstellende ParallelogrannnACBD in Abb.3b dargestellt. Die einzelnen Brückenzweige
I1, I1' und 12, I2' stellen die entsprechenden Gruppen von Spulenseiten der Abb.
3a dar. Wie sich aus dem Schema Abb.3b ergibt, addieren sich die vom Magnetfeld
niederer Frequenz induzierten, durch die starken einfachen Pfeile gekennzeichneten
Spannungen in bezug auf die Punkte A, B, während sich die von dem Magnetfeld höherer
Frequenz in der Wicklung induzierten Spannungen aufheben. In bezug auf die Punkte
C und D addieren sich hingegen die vom Magnetfeld höherer Frequenz induzierten Spannungen.
Die Entnahme des. niederfrequenten Stromes erfolgt somit an den Punkten
A und B der Abb. 3a und 3b. In ganz ähnlicher Weise, wie bei Abb.
id, werden die Wicklungsgruppen 13 und IS' für die Entnahme von Strömen höherer
Frequenz nutzbärgemacht, indem sie unter sichparallel-, geschaltet mit den, Wicklungsgruppen
h, 11, I2, 121 in Reihe geschaltet werden. Dies geschieht nach Abb.3a mittels der
kreisbogenförmigen Verbindung von D nach der rechts gelegenen punktiert gezeichneten
Spulenseitengruppe, so daß schließlich der Punkt E das eine Ende des gesamten Wicklungszuges
bildet. Der Anschluß der Gruppen 13 und 131 ist ,auch in Abb. 3b dargestellt
und die Punkte C und E als Anschlußpunkte für den Strom der höheren Frequenz gekennzeichnet.
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Die eingezeichneten Pfeile ergeben nach dem oben gesagten sowohl für
die höhere als auch für die niedere Frequenz ohne weiteres den Stromverlauf.
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'Die Abb. 3b zeigt der Vereinfachung wegen das Schaltungsschema für
nur eine Phase des höher frequenten Stromes entsprechend der in, den Abb. ia, ib
und 3a zur Darstellung gebrachten Besetzung nur der ersten mit I bezeichneten Phase
.jeder Polteilung der höheren Frequenz. Zweckmäßig wird man natürlich alle drei
Phasen bewickeln und kann dann sowohl Dreiphasenstrom höherer Frequenz,.als auch
Einphasenstrom niederer Frequenz entnehmen. Für die Entnahme des letzteren wird
man zweckmäßig die Addition der drei. Spannungen der niederen Frequenz, -die jeweils
an den PunktenA und B der drei Hochfrequenzphasen entstehen, dadurch vornehmen,
daß man -mit ihnen drei gesonderte Primärspulen eines Einphasentransformators speist,
in, dessen Sekundärwicklung sich dann die drei transformierten Spannungen zu einer
Einphasenspannung der gewünschten Höhe und Frequenz vereinigen. ,Die in den Abbildungen
der Zeichnung dargestellten Anordnungen stellen nur Ausführungsbeispiele dar, die
mannigfache Abänderungen zulassen. Obgleich in den Abb. ib und 3a die Wicklung als
Schleifenwirklung dargestellt ist, kann man natürlich bei sinngernäßer Abänderung
auch eine Wellenwicklung oder eine andere der gebräuchlichen Wicklungsarten verwenden,
sofern diese nur die in: der Einleitung der Patentbeschreibung angegebenen Bedingungen
erfüllt.