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Mehrphasen-Wechselstromerzeuger für Mittelfrequenz mit einer Einschichtwellenwicklung
Zum Betrieb von Elektromotoren für sehr hohe Drehzahlen benötigt man mittelfrequenten
Drehstrom im Frequenzbereich von 5oo bis 2ooooHz. Synchrongeneratoren zur Erzeugung
solcher Frequenzen können wegen der maschinenbaulich begrenzten Umfangsgeschwindigkeit
des Polrades nur kleine Polteilungen erhalten, so daß man, zumal wenn Wicklungselemente
mehrerer Phasen innerhalb einer Polteilung untergebracht werden sollen, auf sogenannte
Einlochwicklungen geführt wird, deren Spannung bekanntlich stark durch Oberwellen
verzerrt ist. Oberwellen bedingen aber zusätzliche Verluste in dem durch die hohe
Betriebsfrequenz schon erheblich beanspruchten Motor. Besonders unangenehm macht
sich die fünfte Harmonische durch ihr inverses Drehfeld bemerkbar, welches ein der
Drehrichtung des Motors entgegengesetztes Drehmoment erzeugt. Soll der Elektromotor,
wie es heim Antrieb von größeren Schwungmassen, insbesondere Zentrifugentrommeln,
der Fall ist, zusammen mit dem Generator hochgefahren werden, so kann man die Oberwellen
nicht im ganzen Frequenzbereich ohne weiteres durch irgendwelche frequenzabhängige
Blindwiderstände vom Elektromotor fernhalten. Es ist für die angedeuteten Anwendungsfälle
also von Wichtigkeit, bereits der Entstehung von Oberwellen im Generator durch geeignete
Maßnahmen bei der Bewicklung des Ankers vorzubeugen.
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Es ist bekannt, zu diesem. Zweck in den eine gleichmäßige Teilung
aufweisenden Ständernuten eine Wellenwicklung nur in einer einzigen Schicht anzuordnen
und die Nuten in einer Anzahl vorzusehen, die dem zc-fachen der Läuferpolzahl, vermehrt
um z, entspricht, wobei n und z ganze Zahlen sind.
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Auch die Erfindung bezieht sich auf einen derartigen Stromerzeuger.
Erfindungsgemäß ist die Anordnung derart getroffen, daß die Wellenwicklung mindestens
um n Nuten fortschreitend in jeder Polteilung Leiter aller Phasen enthält, wobei
,z nebeneinanderliegende Nuten leer bleiben und von einer länger-als die übrigen
Spulen ausgebildeten Spule umgriffen
sind, und wobei ri. sich aus
der Phasenzahl multipliziert mit z ergibt.
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Im Gegensatz hierzu beläuft sich bei der bekannten Maschine, die Dreiphasenstrom
erzeugt, ii nur auf :2, während z mit r bemessen ist, so daß die Ankernutenzahl
gleich dem doppelten Wert von Läuferpolzahl + r ist. Dabei schreitet die Wellenwicklung
nur um eine Nut fort, so, daß in jeder Polteilung nur Leiter einer einzigen Phase
liegen.
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In sehr vielen Fällen ist die Polteilung so groß, daß man je Pol und
Phase eine oder sogar mehrere Nuten unterbringen kann. Bei drei und mehr Nuten j
e Pol und Phase erhält man einen guten Ausgleich der Oberwellen der Ankerspannung.
Bei einer Nut je Polteilung und Phase treten die der Feldverzerrung entsprechenden
Oberwellen jedoch in voller Größe auf, und auch bei zwei Nuten je Polteilung und
Phase ist der Oberwellengehalt der Ankerspannung gewöhnlich noch sehr störend.
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Der gegenüber dem bekannten Mehrphasenhochfrequenzgenerator erzielte
Fortschritt liegt also in der verminderten Feldverzerrung infolge der Anordnung
von mindestens ebensoviel Leitern in jeder Polteilung als Phasen vorhanden sind.
Bei der bekannten Maschine beläuft sich die Anzahl der Phasen auf drei, die Anzahl
der Leiter je Polteilung aber nur auf zwei.
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Bei Mittelfrequenzgeneratoren für Frequenzen von 333 bis etwa 75o
Hz liegen die Verhältnisse meistens so, daß man je Pol und Phase eine bis zwei Nuten
ausführen kann. Um trotzdem eine gute Unterdrückung der Oberwellen zu erreichen,
kann man die Ankernutung vorn der Polteilung etwas verschieden wählen und eine Wellenwicklung
entsprechend dem weiter unten herangezogenen Ausführungsbeispiel ausführen. Solche
Wellenwicklungen führen gewöhnlich auf sogenannte Zweischichtwicklungen.
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Im Wechselstromgeneratorenbau bevorzugt man oft die sogenannten Einschichtwicklungen
wegen ihrer leichten Herstellbarkeit, Übersichtlichkeit und wegen ihrer guten Isolationsverhältnisse.
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Die erfindungsgemäße Ankerwicklung verbindet diese Vorteile der Einschichtwicklung
mit den erstgenannten Vorzügen der Wellenwicklung.
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In der Zeichnung ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel derErfindung
dargestellt, und zwar zeigt sie in der Mitte das der Erfindung entsprechende Wicklungskopfschem.a
und am Umfang eine zur Erläuterung der erzielten Vorteile dienende symmetrische
Einschichtwicklung bekannter Ausführungsart.
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Es "handelt sich beim vorliegenden Beispiel um einen Stromerzeuger,
dessen Polrad zwölf einander abwechselnde Nord- und Südpole hat, die durch die äußere
Teilung und die Buchstaben 1N und S angedeutet sind. Jede Polteilung ist durch Teilstriche
in drei gleiche Abschnitte I, II und III eingeteilt. Die Anzahl der Nuten entspricht
dem n-fachen der Läuferpolzahl vermehrt um z, wobei z wie bei der bekannten Maschine
gleich r gewählt ist. Erfindungsgemäß ergibt sich nun n. aus der Phasenzahl g multipliziert
mit z. Da es sich um. Dreiphasenstrom handelt, ist ;i gleich 3. Die Anzahl der Nuten
ist also das Dreifache der Läuferpolzahl vermehrt um r, im vorliegenden Falle gleich
37. Wie bei einer Gleichstromwellenwicklung nehmen daher elektrisch aufeinanderfolgendeWicklungselemente
innerhalb der Polteilungen andere Stellungen ein. Die Wicklungselemente sind; in
der Reihenfolge der elektrischen Schaltung fortlaufend mit r bis 37 beziffert. Die
`'Wicklung schreitet von dem auf der Grenze zwischen Süd-und Nordpol liegenden Wicklungselement
r um etwas weniger als eine ganze Polteilung weiter zum Wicklungselement 2 und so
fort, wobei die aufeinanderfolgenden Wicklungselemente r bis 12 der Reihe nach verschiedene
Stellungen unter den Polen einnehmen, aber in den Abschnitten III bleiben. Erst
das Wicklungselement 13 liegt auf der Grenze zwischen einem Polabschnitt
III und einem Polabschnitt 1I. Die Elemente des nächsten Umlaufs der Wellenwicklung
fallen dann sämtlich in die Polabschnitte II und die Elemente des dritten Umlaufes
in die Polabschnitte I, bis. sie beim Wicklungsschritt 37-r wieder an den Anfang
der Wicklung zurückkehren. Solchen, nach mehreren Umläufen in sich zurückkehrenden
Wicklungen kann man durch geeignet liegende Anzapfungen Mehrphasenstrom, insbesondere
Drehstrom, entnehmen. Die Phasenspannungen des Drehstromes sind nur dann symmetrisch,
wenn die Anzapfpunkte nach je 1/3 der insgesamt vorhandenen Anzahl von Wicklungselementen
angeordnet werden, das heißt im vorliegenden Beispiel bei Beginn der im Wicklungselement
r enthaltenen Leiter, nach 1/3 der im Wicklungselement 13 enthaltenen Leiter
und schließlich nach =/3 der im Wicklungselement 25 enthaltenen Leiter.
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Bei einer ausgeführten Wicklung kann man allerdings nicht einzelne
Wicklungselemente in dieser Weise unterteilen, ohne gleichzeitig in einem anderen,
das betreffende Wicklungs-Jement zu einer Spule ergänzenden Wicklungselement gleichfalls
eine Unterteilung zu bewirken. Diese Schwierigkeit wird nun erfindungsgemäß dadurch
vermieden, daß an einer Stelle z nebeneinanderliegende Nuten leer bleiben und von
einer länger als die übrigen Spulen ausgebildeten Spule umgriffen
sind.
Angezapfte Spulen, die bei Stabwicklungen nicht ausführbar und auch bei aus mehrerenLeitern
aufgebauten Wicklungselementen unbequem in der Herstellung sind, werden dadurch
erübrigt.-Da sich bei dem Au§-ffihrungsbeispiel z auf i beläuft, bleibt eine Nut
am -Umfang leer, so. daß -die sie umgebende Spule um ein Drittel der Polteilung
länger ausfällt. Dies ist im inneren Wicklungakop.fschema gezeigt. Dort wird die
leere Nut 13 von der verlängerten Spule umgeben, zu welcher die Wicklungselemente
26 und 37 vereinigt sind.
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Der Verlust an Wickelraum, der sich durch das Freilassen der Nut 13
ergibt, ist in Anbetracht der großen Nutenzahl der Mittelfrequenzgeneratoren, für
welche diese Wicklungsart gedacht ist, ganz unbedeutend und wird durch die fabrikatorischen
Vorteile bei weitem aufgehoben.
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Die Anzahl N der Ankernuten, welche zur Ausführung der beschriebenen
Wicklungsart erforderlich ist, folgt aus der Gleichung: N=g'z'p+z. Hierin ist g
die Phasenzahl, p die Zahl der Pole und z eine ganze Zahl, die sich beim Ausführungsbeispiel
auf i beläuft, aber auch höher sein kann, so daß je, Pol und Phase" mehr als eine
bewickelte Nut vorgesehen werden können, was die Form der Spannungskurve noch weiter
verbessert. Die Anzahl der leer bleibenden Nuten wird: auf z bemessen. In dem den
Erfindungsgegenstand darstellenden inneren Wicklungskopfschema ist die Wicklung
der einen Phase gestrichelt, die .der zweiten dünn ausgezogen und die der dritten
dick ausgezogen dargestellt. Da sich Anzapfungen innerhalb der Wicklungselemente
erübrigen, liegen die drei Anschlüsse an den Stirnverbindungen der Spulen, wie es
die Zeichnung zeigt.