DE880615C - Polumschaltbare Drehfeldmaschine mit ausgepraegten Polen und konzentrierten Wicklungen - Google Patents

Polumschaltbare Drehfeldmaschine mit ausgepraegten Polen und konzentrierten Wicklungen

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DE880615C
DE880615C DEP24822D DEP0024822D DE880615C DE 880615 C DE880615 C DE 880615C DE P24822 D DEP24822 D DE P24822D DE P0024822 D DEP0024822 D DE P0024822D DE 880615 C DE880615 C DE 880615C
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DE
Germany
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poles
pole
machine according
phases
circumference
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Expired
Application number
DEP24822D
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English (en)
Inventor
Friedrich Bauer
Hans Trassl
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K17/00Asynchronous induction motors; Asynchronous induction generators
    • H02K17/02Asynchronous induction motors
    • H02K17/12Asynchronous induction motors for multi-phase current
    • H02K17/14Asynchronous induction motors for multi-phase current having windings arranged for permitting pole-changing

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • In Fig. 7 haben die Phase R wieder fünf, die Phasen S und T nur vier Pole. . Man erhält eine Drehzahl von 2170.
  • In Fig. 8 haben die drei Phasen nur vier Pole, und es ergibt sich eine Drehzahl von gooo.
  • In Fig. 9 hat die Phase T nur noch drei Pole. Man erhält eine Drehzahl von 1840.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (7)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Polumschaltbare Drehfeldmaschine mit ausgeprägten Polen und konzentrierten Wicklungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole in dem Sinne umschaltbar sind, daß die Wellenlänge des Drehfeldes nicht in dem Umfang aufgeht, der Umfang also kein ganzzahliges Vielfaches dieser Wellenlänge ist.
  2. 2. Maschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole, die dem verbleibenden Umfangrest entsprechen, unerregt oder kurzgeschlossen sind.
  3. 3. Maschine nach Anspruch i, gekennzeichnet durch eine solche Schaltung, daß Teile des verbleibenden Umfangrestes nur mit einem Teil der Phasen beaufschlagt sind.
  4. Maschine nach Anspruch i bis 3, gekennzeichnet durch eine solche Polumschaltung, daß die Polteilungen der einzelnen Phasen verschieden groß sind.
  5. 5. :Maschine nach Anspruch i bis .I, dadurch gekennzeichnet, daß die dem verbleibenden Umfangrest entsprechende unerregte Lücke in zwei oder mehrere vorzugsweise gleichmäßig auf den Umfang verteilte Lücken unterteilt ist.
  6. 6. Maschine nach Anspruch i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole derart an verschiedene Phasen angeschlossene Teilwicklungen haben, daß sich hinsichtlich des Drehfeldes die Wirkung einer verteilten Wicklung ergibt (Fig. ig und 2o).
  7. 7. Maschine nach Anspruch i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die an die verschiedenen Phasen angeschlossenen Pole derartig durchmischt sind, daB sich -hinsichtlich des Drehfeldes die Wirkung einer verteilten Wicklung ergibt (Fig.2z). B. Maschine nach Anspruch z bis 7, Bekennzeichnet durch die Anwendung auf Arbeitsmaschinen, deren Drehmomentsbedarf mit der Drehzahl, z. B. quadratisch, ansteigt. g. Maschine nach Anspruch x bis 7, dadurch gekennzeichnet, daB namentlich für Maschinen konstanten Drehmomentes oder konstanter Leistung für niedrigere Drehzahlen die Polumschaltung mit einer Getriebestufenschaltung kombiniert ist.
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