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Polumschaltbare Drehfeldmaschine mit ausgeprägten Polen und konzentrierten
Wicklungen Die üblichen Drehstromasynchronmotoren mit verteilten polumschaltbaren
Wicklungen können nur auf beschränkte Synchrondrehzahlen, beispielsweise bei 5o
Hz auf 3000, z5oo, Zooo, 75o usw. Umdrehungen je '.Minute geschaltet werden. Wählt
man noch kleinere Drehzahlen, dann wird die Drehzahlstufung zwar feiner, die Motoren
werden aber dadurch verhältnismäßig groß und teuer. Man kann zwar durchÄnderung
der Frequenz die synchronen Drehzahlen entsprechend ändern, doch steht eine veränderliche
Frequenz meist nicht zur Verfügung. Im praktischen Betrieb ist man darauf angewiesen,
Zwischendrehzahlen durch Anwendung zusätzlichen Schlupfes, also beispielsweise durch
Einschalten von `'Widerständen in die Läuferwicklung, zu erzielen. Mit zunehmendem
Schlupf geht aber der Wirkungsgrad des Motors rasch zurück.
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Es ist auch vorgeschlagen worden, durch mechanische Mittel die synchronen
Drehzahlen zu regeln, indem man z. B. die Abstände der Ständerpole änderte oder
auf einen Scheibenanker einwirkende Wanderfeldmagnete radial verstellte. Diese Maßnahmen
verlangen aber Motoren besonderer Bauformen, die nicht immer erwünscht sind.
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Die Erfindung macht grundsätzlich von einer Drehfeldmaschine mit ausgeprägten
Polen und konzentrierten Wicklungen Gebrauch und nützt die dadurch erzielte Unabhängigkeit
der einzelnen Pole für die Drehzahlregelung aus. Während bei den üblichen Drehstromasynchronmaschinen
die
Wellenlänge des Drehfeldes im Umfang der Maschine aufgeht, also der Umfang ein ganzzahliges
Vielfaches der Drehfeldwellenlänge ist und bei Polumschaltung auch bleibt, sind
erfindungsgemäß die Pole in dem Sinn umschaltbar, daß die Wellenlänge des Drehfeldes
nicht in dem Umfang aufgeht, der Umfang also kein ganzzahliges Vielfaches der Drehfeldwellenlänge
ist. Natürlich können dabei auch als Zwischenstufen Schaltungen angewendet werden,
bei denen der Umfang ein- ganzzahliges Vielfaches der Drehfeldwellenlänge ist.
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Da die Drehfeldwellenlänge im Umfang nicht aufgeht, verbleibt ein
Rest des Umfangs: Dieser kann urierregt bleiben bzw. seine Wicklungen können kurzgeschlossen
werden, oder er kann mit einem Teil der Phasen beaufschlagt werden, so daß sich
also für diesen Rest nur ein Bruchteil der Drehfeldwellenlänge ergibt.
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Um eine größere Mannigfaltigkeit für die Drehzahlen zu erzielen, kann
man die Polteilungen der einzelnen Phasen, oder überhaupt die Polteilungen der Phasen
auch verschieden groß machen, wie später an Hand der Zeichnung näher erläutert werden
soll.
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Um einseitige magnetische Züge zu vermeiden und um urierregte Lücken
kleiner halten zu können, empfiehlt es sich, den Umfangsrest in zwei oder mehrere
gleichmäßig über den Umfang verteilte, urierregte Lücken aufzuteilen. Wenn die Pole
der einzelnen Phasen aus zwei oder mehreren Teilpolen mit konzentrierten Wicklungen
bestehen, dann kann man trotz Anwendung konzentrierter Wicklungen hinsichtlich des
Drehfeldes die Wirkung einer verteilten Wicklung erzielen, wenn man gemäß einem
früheren Vorschlag den Teilpolen wenigstens teilweise an verschiedene Phasen derart
angeschlossene Teilwicklungen gibt, oder die Teilpole der einzelnen Phasen derart
durchmischt, daß man die Wirkung einer verteilten Wicklung erhält: Die Erfindung
wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. In Fig. i ist schematisch die Abwicklung
einer Drehstromasynchronmaschine dargestellt. 37 ist der Ständer, der sechsunddreißig
ausgeprägte Pole 38 mit konzentrierten Wicklungen i bis 36 hat. je nach der Schaltung
dieser Pole erhält man verschiedene synchrone Drehzahlen. In den Fig. 2 bis 18 sind
unter den Wicklungen i bis 36 die Schaltungen in der Weise dargestellt, daß bei
den Drehstromphasen RS T die ari die Phase R oder - R angeschlossenen Wicklungen
durch einen quer schraffierten Bereich, die an die Phase T oder - T angeschlossenen
Wicklungen durch einen schräg schraffierten Bereich und die an die Phase + S angeschlossenen
Wicklungen durch einen kreuzschraffierten Bereich angedeutet sind.
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In Fig. 2 sind je sechs Pole an die Phasen -E- R, - T, S, - R, T,
- S angeschlossen. Der mit einer Käfigwicklung, durch 39 in Fig. i angedeutet, versehene
Läufer hat bei 5o Hz eine synchrone Drehzahl von 3000.
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Bei der Polschaltung nach Fig.3 erhalten die Phasen R und T je sechs
Pole, die Phase S aber nur fünf. Die Pole 35, 36 bleiben urierregt. Gegenüber
der Schaltung nach Fig. 2 ist die Wellenlänge des Drehfeldes um i/1$ verkürzt. Der
Umfang ist also kein ganzzahliges Vielfaches dieser Wellenlänge, sondern es verbleibt
ein Rest, der den Polen 35, 36 entspricht. Die synchrone Drehzahl ist 28q.0.
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Bei der Schaltung nach Fig.4 erhält auch die Phase T je einen Pol
weniger. Die Drehfeldwellenlänge ist um 1/9 verkürzt, und man erhält eine synchrone
Drehzahl von 267o.
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In Fig. 5 hat jede Phase nur fünf Pole. Die Drehfeldwellenlänge ist
also um 1/s verkürzt. Die Pole 31 bis 36 bleiben urierregt. Man erhält eine synchrone
Drehzahl von 250o.
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In Fig. 6 haben die Phasen R und T je fünf Pole, die Phase S aber
nur vier. Man erhält dadurch. eine weitere Verkürzung der Drehfeldwellenlänge und
eine synchrone Drehzahl von 2340. Es bleiben die Pole 29 bis 36 urierregt. Zwecks
Verkleinerung der urierregten Lücken können aber, wie gestrichelt angedeutet, die
Pole 29 bis 33 an die Phase -E- R angeschlossen werden. Man hat sich die Wicklungen
als einen Wanderfeldbelag bestimmter Wellenlänge vorzustellen, die im Ständerumfang
nicht aufgeht. Dieser Wanderfeldbelag wird so beschnitten, daß die urierregte Lücke
nicht zu groß ausfällt, gleichgültig, ob dabei die einzelnen Phasen in gleichem
oder in verschiedenem Maße beteiligt sind.
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In Fig. 7 haben die Phase R wieder fünf, die Phasen S und T nur vier
Pole. . Man erhält eine Drehzahl von 2170.
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In Fig. 8 haben die drei Phasen nur vier Pole, und es ergibt sich
eine Drehzahl von gooo.
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In Fig. 9 hat die Phase T nur noch drei Pole. Man erhält eine Drehzahl
von 1840.
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In Fig. io hat auch die Phase T nur drei Pole. Man erhält eine Drehzahl
von 1670, und in Fig. ii haben alle drei Phasen nur drei Pole. Man erhält eine Drehzahl
von i5oo. Hier geht wieder die Wellenlänge des Drehfeldes im Umfang auf, und es
können deshalb, wie die Fig. 12 zeigt, alle Pole erregt werden. Das Drehmoment wird
dadurch gegenüber Fig. i1 verdoppelt. Bei Fig. ii würde nur die Hälfte des Umfangs
erregt sein, und die urierregte Lücke würde ebenfalls die Hälfte des Umfangs betragen.
Damit bei den Schaltungen nach den Fig. 7 bis io die urierregte Lücke nicht zu groß
wird, können, wie gestrichelt angedeutet, die Pole des Restes des Umfangs entsprechend
an Phasen angeschlossen werden. Dadurch wird in gewissem Maße das Drehmoment erhöht
und der magnetische Zug gleichmäßiger über den Umfang verteilt.
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In Fig. 13 ist die Polzahl der Phase S auf zwei, in Fig. 14 die der
Phase T und in Fig. 15 auch noch die der Phase R auf zwei herabgesetzt. Es ergeben
sich die Drehzahlen 1338, 1170 und zooo. Dabei kann bei Fig. 16, wie gestrichelt
angedeutet, wieder der ganze Umfang erregt werden, weil die Drehfeldwellenlänge
im Umfang aufgeht.
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In Fig. 16 ist die Polzahl der Phase S, in Fig. 17 auch die der Phase
T und in Fig. 18 die aller drei Phasen auf eine herabgesetzt. Es ergeben sich die
Drehzahlen 835, 670 und 50o.
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Man erhält also durch eine derartige Polumschaltung eine Vielzahl
von synchronen Drehzahlen. Selbstverständlich handelt es sich hier nur um rechnerische
fiktive Werte, die durch Dämpfung, Oberwellenverluste
u. dgl. mehr
oder weniger herabgesetzt werden. Die Betriebszahlen liegen daher entsprechend tiefer.
Sie sind jedoch wesentlich kleineren Belastungsschwankungen unterworfen, als wenn
man bei einem üblichen Asynchronmotor die verschiedenen Betriebsdrehzahlen durch
verschiedenen Schlupf, also beispielsweise durch Änderung des Läuferwiderstandes,
einstellen würde.
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Um, wie eingangs in der Beschreibung erwähnt, trotz der ausgeprägten
Pole und der konzentrierten Wicklungen hinsichtlich des Drehfeldes die Wirkung einer
verteilten Wicklung zu erzielen, können, wie die Fig. i9 und 2o zeigen, die einzelnen
Pole auch je zwei Wicklungen erhalten und ein Teil der Pole kann mit diesen Wicklungen
an verschiedene Phasen angeschlossen werden. So liegen z. B. für die der Fig. 2
entsprechende Schaltung für die Drehzahl 3ooo die Teilwicklungen der Pole i bis
3 an den Phasen -E- R und S, die der Pole 4. bis 6 sämtlich an der Phase - R, die
der Pole 7 bis g an den Phasen - T, + R, die der Pole io bis i2 an
den Phasen - 7' usw. Bei der der Fig. 8 entsprechenden Schaltung für die Drehzahl
2ooo liegen die Teilwicklungen der Pole i und 2 an R, - S, die der Pole 3
und q. sämtlich an + R, die der Pole 5 und 6 an - T, R, die der Pole
7 und 8 sämtlich an + R, die der Pole 5 und 6 an - T, -j- R, die der Pole 7 und
8 sämtlich an - T usw. Um keine Kurzschlußströme zu erhalten, müssen beispielsweise
die an Phase + R liegenden Teilwicklungen der Pole i, Fig. i9 und des Pols 7 in
Reihe geschaltet werden, denn jeder Pol, der von Teilwicklungen verschiedener Phase
erregt wird, führt einen resultierenden Fluß, der in den einzelnen Teilwicklungen
von den Phasenspannungen abweichende Spannungen induziert. Wenn man aber zwei Teilwicklungen
mit entgegengesetzter Phasenabweichung in Reihe schaltet, erhält man immer resultierende
Spannungen in Richtung der Phasen R bzw. S oder T.
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Will man den Polen ungeteilte Wicklungen geben, um einfachere Schaltungen
zu erzielen, so kann man z. B. an Stelle der in Fig. 2o dargestellten Schaltung
für die Drehzahl 20oo eine Schaltung gemäß Fig. 21 verwenden, bei der die an die
einzelnen Phasen angeschlossenen Pole entsprechend durchmischt sind. Hier ist der
Pol i an + R, der zweite an - S, der dritte und vierte an -t- R, der fünfte an -
T, der sechste wieder an + R, der siebente und achte an - T usw. angeschlossen.
Auch hier ergibt sich die Wirkung einer verteilten Wicklung, da sich die Flüsse
der Pole i, 2 bzw. 5, 6 immer etwas durchmischen.
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Natürlich ergeben sich, wenn die Wellenlänge des Drehfeldes im Ständerumfang
nicht aufgeht, in dem verbleibenden Rest des Umfangs und in den angrenzenden Rändern
des erregten Umfangteils Störungen, die eine Verminderung des Drehmomentes und des
Wirkungsgrades zur Folge haben. Diese Störungen halten sich aber in erträglichen
Grenzen, wenn man bedenkt, daß bei der üblichen Drehzahleinstellung bei Asynehronmaschinen
mit Hilfe zusätzlicher Schlupfwiderstände ebenfalls erhöhte Verluste in Kauf genommen
werden müssen. Einen zu starken Rückgang des Drehmomentes kann man, wie beispielsweise
in den Fig. 6 bis io gestrichelt angedeutet ist, dadurch vermeiden, daß man auf
eine oder mehrere vollständige Polreihen eine unvollständige, die die verbleibende
Lücke teilweise ausfüllt, folgen läßt. Übrigens ist bei Antrieben, bei denen das
Widerstandsmoment quadratisch mit der Drehzahl wächst, der Drehmomentrückgang bei
Umschaltung auf kleinere Drehzahlen ohne praktische Bedeutung, da bei solchen Antrieben
die Leistung der Arbeitsmaschinen weit stärker abnimmt als das im Motor verfügbare
Drehmoment. Verschiedene Arbeitsmaschinen verlangen konstantes Drehmoment. In diesem
Fall muß die Maschine so dimensioniert werden, daß das kleinste Moment ausreichend
ist, d. h. also, daß die Maschine bei den vollen Synchrondrehzahlen wesentlich überdimensioniert
ist. Bei Arbeitsmaschinen, die konstante Leistung verlangen, müßte man zu außergewöhnlicher
Überdimensionierung der Motoren schreiten, wenn große Drehzahlbereiche beherrscht
werden sollen. 'Ulan kann sich hier so helfen, daß man zumindest eine Getriebestufe
verwendet, die bei tieferen Arbeitsdrehzahlen eine günstigere Ausnutzung des Motors
gestattet. Sind, wie bei den meisten Werkzeugmaschinenantrieben, an sich Stufengetriebe
vorhanden, dann ergeben sich überhaupt keine Schwierigkeiten, wenn man die Polumschaltung
entsprechend mit der Getriebeumschaltung kombiniert.