DE90556C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.^

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung eines Drehfeldes, das zum Betrieb asynchroner Wechselstrommotoren geeignet ist.

Es ist bekannt, dafs, wenn zwei Spulen A B von gleicher Inductanz parallel geschaltet und mit Wechselstrom liefernden Hauptleitungen verbunden sind, und wenn der Widerstand einer derselben, etwa der Spule A, gröfser ist als jener der anderen, oder wenn ein inductionsfreier Widerstand C mit einer derselben in Hintereinanderschaltung verbunden ist, der Wechselstrom in B gegenüber jenem in A eine Phasenverzögerung aufweist.

Haben die Spulen Eisenkerne, so ändert sich der Magnetismus dieser letzteren mit der Stromstärke, wobei die Phase im Kern von A jener im Kern von B voreilt und die Magnetisirung des Kernes von A Null ist, während der Kern von B noch magnetisirt ist, so dafs eine Magnetnadel in Drehung versetzt würde. Diese Anordnung ist in Fig. 1 veranschaulicht. Die beiden magnetische Felder erzeugenden Spulen können in verschiedener Weise combinirt werden, um ein sogenanntes Drehfeld zu erzeugen.

Es ist klar, dafs, da der Widerstand von A gröfser ist als jener von B, unter sonst gleichen Umständen die Stromstärke in A kleiner ist als jene in 23; die magnetische Erregung des Kernes von A wird daher geringer sein als jene des Kernes von B, und die Magnetnadel D wird durch B stärker beeinflufst als durch A. Werden deshalb diese beiden Felder zu einem Drehfeld combinirt, so ändert sich die Stärke des Drehfeldes während jeder Drehung. In einem Augenblick hängt die Stärke des Feldes völlig von A ab und in einem anderen von B. Einer der Hauptzwecke dieser Erfindung besteht darin, diese Ungleichmäfsigkeit zu beseitigen und ein gleichmäfsiges Drehfeld zu erzielen. Es geschieht dies dadurch, dafs die Spulen derart bemessen werden, dafs sie.trotz ihrer Phasendifferenz und ihrer Widerstandsunterschiede, gleiche magnetische Erregungen erzeugen.

Die Erfindung wird auf die Construction von Motoren wie folgt angewendet.

Die Feldmagnete einer Art des Motors sind in Fig. 2 und 3 schematisch dargestellt.

Die Eisenkerne sind aus isolirten Stücken hergestellt, welche aus Eisenblech gestanzt sind, wie dies für rasch laufende Maschinen üblich ist. Sie sind mit vier Polschuhen versehen, obgleich bei einer Zweiphasenmaschine je nach der gewünschten Geschwindigkeit die Anzahl der Polschuhe auch 8, 12 oder ein höheres Vielfaches von 4 betragen kann.

Es genügt, eine vierpolige Maschine zu beschreiben.

Die Polschuhe sind an den inneren Enden verbreitert, um den magnetischen Widerstand

möglichst zu verringern. Auf dem Eisenring und in den Zwischenräumen zwischen den Polschuhen sind die Spulen A und B aufgewickelt.

Jede der Bewickelungen A und B ist viertheilig und die Buchstaben A und B bezeichnen daher jeder einen Satz von vier Spulen, die einzeln mit A¹ A*A³A* und B¹B¹²B³B* bezeichnet sind.

Die Spulen des Satzes A haben sämmtlich gleiche Windungszahlen und ebenso die Spulen des Satzes B. Aber die Windungszahlen von A' und B sind verschieden und sind derart bemessen, dafs das Feld in der nachstehend beschriebenen Weise ausgeglichen wird.

Wenn die beiden Spulensätze keine Inductionswirkung auf einander ausüben sollen, so werden sie wie nachstehend angegeben gewickelt.

Man wickelt zunächst einen der Spulensätze, etwa B. In Fig. 2 werden jB¹ und B² gewickelt und in Hintereinanderschaltung verbunden; man wickelt dann die Spulen B³ und B¹ in entgegengesetzter Richtung und verbindet sie in Parallelschaltung mit B¹ und J3² oder in Reihenschaltung, wie Fig. 2 zeigt. Man kann natürlich alle Spulen in derselben Richtung wickeln und die Verbindung bei E (Fig. 2) umkehren, was dieselbe Wirkung hat.

Man wickelt dann den Spulensatz A auf den Spulensatz B, wobei man mit A¹ auf B² beginnt, und wickelt um den ganzen Ring in derselben Weise herum, wie bei dem Spulensatz B, wobei man nach dem Wickeln von A¹ und A'² entweder die Wickelungsrichtung umkehrt oder, wenn in derselben Richtung gewickelt wird, die Verbindung bei F umkehrt.

Man sieht, dafs die Bewickelung B ein Feld zwischen den Polen G und H erzeugt (Fig. 2) und die Bewickelung A ein Feld von gleicher Dichte zwischen den Polen I und J. Da aber der Strom in den beiden Bewickelungen verschiedene Phasen besitzt, so entstehen die Felder nicht gleichzeitig, sondern auf einander folgend, und es wird ein Drehfeld gebildet, das einen entsprechenden, in der Mitte des •Ringes angeordneten Anker in Drehung zu versetzen vermag. Das Feld macht eine Umdrehung für jeden Wechsel der zugeführten elektromotorischen Kraft.

Fig. 3 zeigt ein vereinfachtes Schema der Bewickelung und zeigt auch deutlicher, wie die wechselseitige Induction der Spulen vermieden wird. Betrachtet man den halben Ring vom Pol J über den Pol G zum Pol / mit den Spulen A¹ A² und B'² B³, so erkennt man, dafs die beiden Spulen ^¹ und A², die in gleicher Richtung gewickelt sind, die zwei Spulen B²B³ umschliefsen, die in entgegengesetzter Richtung gewickelt sind. Jeder durch die beiden Spulen A¹ und ^L² von A fliefsende Strom inducirt in den beiden Spulen B²B³ von B entgegengesetzte Ströme, ebenso wird ein durch die Spulen B² B³ fliefsender Strom, der gegen A¹A² in gleicher bezw. entgegengesetzter Richtung strömt, sich verhalten. Die Inductionswirkung ist daher Null. Dies gilt für jeden Theil des Kreises.

Fig. 4 zeigt eine andere Art der Anordnung der Spulen.

Benutzt man vier Pole und zwei Phasen, so macht das Feld· eine Drehung für jeden Wechsel der elektromotorischen Kraft, wie vorstehend angegeben wurde. Baut man eine Maschine für eine geringere Tourenzahl, so wählt man als Polzahl ein höheres Vielfaches von 4, bei einer achtpoligen Maschine und zwei Phasen z. B. macht das Feld eine Umdrehung für je zwei Wechsel. Man bewickelt wie in Fig. 5 gezeigt, oder bei über einander gewickelten Spulen wie in Fig. 6.

Die Bewickelungen A und B sind bei jenem achtpoligen Feldmagneten mit über einander gewickelten Spulen in acht Theile getheilt, wobei die Wickelungsrichtung neben einander liegender Spulenpaare entgegengesetzt ist (Fig. 6). Die Bewickelung A zeigt die Umkehrungsstellen der Wickelungsrichtung bei OFM, die Bewickelung B bei KEL. Bei kleinen Maschinen, bei denen nach dem Angehen eine Aenderung nicht räthlich erscheint, treibt man die Maschine fortgesetzt mit einem Drehfeld. Sonst benutzt man das Drehfeld blos zum Angehen des Motors und ändert nach dem Angehen die Verbindungen derart, dafs das Feld einphasig wird und der Motor synchron läuft.

Fig. 7 und 8 zeigen eine andere und bessere Methode. Die Wickelungen A und B sind wie gewöhnlich gewickelt, jedoch so, dafs beide benutzt werden müssen, um die erforderliche Erregung zu liefern. Nachdem die erforderliche Zahl Windungen der Bewickelung A aufgebracht worden ist, wird ein Anschlufs angebracht und hierauf mit dem Wickeln fortgefahren, bis die Windungszahl der Wickelung B erreicht ist, so dafs die Windungszahlen in der Beziehung A + b = B stehen. Diese hinzugefügten Windungen sind bei b (Fig. 7 und 8) angedeutet. Dem ersten Theil der Wickelung A ist ein Widerstand C vorgeschaltet.

Behufs Anlassens richtet man die Schaltung nach Fig. 7 ein und erhält ein Drehfeld. Der Motor ist dann asynchron und geht frei an. Ist die erforderliche Geschwindigkeit erzielt, so wird der Widerstand C ausgeschaltet und die Bewickelung A -f- b der Bewickelung B parallel geschaltet, so dafs man ein Einphasenfeld von derselben Stärke wie vorhin erhält.

Der Anker wird nach vorliegender Erfindung aus Eisenplatten aufgebaut und mit Spulen

ausgestattet, die auf Polschuhen, in Schlitzen (Fig. 9) oder in Löchern in den Scheiben gewickelt sind. Die Spulen sind parallel geschaltet und in sich geschlossen.

Genügt für jede Spule eine Windung, so stellt man die Spulen aus einfachen Kupferstäben oder Drähten her, die in durchgehende Löcher oder Schlitze im Eisen eingelegt sind und an jedem Ende sämmtlich durch einen starken Kupferring verbunden werden; der Querschnitt dieses Ringes ist erheblich gröfser zu wählen als jener der einzelnen Kupferstäbe.

Die Spulen und Verbindungstheile sind vom Eisen durch- Asbestpapier oder ein ähnliches, einer mäfsigen Temperaturerhöhung gut widerstehendes Material sorgfältig zu isoliren, auch empfiehlt es sich, die Kupferstäbe in den Verbindungsring einzunieten, statt sie anzulöthen.

Fig. 10 zeigt die Construction eines Transformators , dessen Secundärwickelung zwei Ströme von verschiedener Phase liefert. Der ein rotirendes Feld erzeugende Theil des Kernes ist ebenso gewickelt wie der Feldmagnet für einen Motor nach Fig. 4; da aber der mittlere Theil, in welchem Ströme inducirt werden sollen, sich nicht zu drehen braucht, so ist derselbe in einem Stück mit dem Primärkern hergestellt und der Transformator wird aus Stücken oder Scheiben aufgebaut, wie sie in Fig. 10 dargestellt sind. Die Secundärspulen werden auf den mittleren Theil des Kernes gewickelt. Es entstehen nun Ströme von verschiedener Phase in den Leitungen PP¹ und O O¹, und da das Feld für jede volle Periode des Primärstromes eine Umdrehung macht, so haben die Secundärströme die gleiche Periodendauer.

Es soll nun die von den Erfindern benutzte Methode zur Bestimmung der Verhältnisse und Dimensionen zweier Spulen auf demselben Kern oder auf gleichen Kernen, welche magnetische Felder von gleicher Stärke erzeugen, beschrieben werden.

Dabei ist aber zunächst zu bemerken, dafs es zur Erzielung eines gleichmäfsigen Drehfeldes wesentlich ist, dafs der Eisenring symmetrisch sei, d. h. dafs das Eisen, welches die eine Bewickelung trägt, in jeder Hinsicht jenem gleichen mufs, das die andere Bewickelung trägt. Der Kern darf also nicht in einzelnen Querschnitten eine sehr dichte, in anderen eine wenig dichte Kiaftlinienvertheilung aufweisen. Die die Bewickelung bildenden Spulen müssen durchaus die gleichen Eisenmassen umschliefsen und müssen das eingeschlossene Eisen bis zu derselben Stärke erregen.

Diese Bedingung ist in der einen ähnlichen Gegenstand betreffenden deutschen Patenschrift Nr. 58774 nicht erfüllt, sei es, weil sie zu jener Zeit für unwesentlich erachtet wurde, sei es, weil sie mit der weiteren Bedingung, dafs die beiden componirenden Magnetfelder gleich stark sein sollen, für unvereinbar gehalten wurde.

Die Untersuchungen der Erfinder haben ergeben, dafs, wenn ein Spulensatz auf demselben oder auf gleichen Kernen gewickelt wird, gleiche Amperewindungszahlen bei derselben Spannung erzielt werden, wenn:

i. Die Windungszahlen der verschiedenen Spulen gleich sind dem Product des Sinus der Phasenverschiebung der Spule und einer constanten Gröfse. Ist T die Windungszahl einer Spule mit der Phasenverschiebung, so ist T= α sin φ wobei α eine für. alle Spulen constante Zahl ist.

, 2. Der Widerstand jeder Spule gleich ist dem Product des Sinus und des Cosinus der Phasenverschiebung der elektromotorischen Kraft E und der Constanten a, getheilt durch die Amperewindungszahl ^, also

E α sin φ cos φ

3. Der durch die Spule fliefsende Strom gleich ist der Amperewindungszahl, getheilt durch α sin φ, also wenn die Stromstärke

a sin φ

Vorstehend wurde bemerkt, dafs bei der Wickelung der vorliegenden Motoren die folgenden Bedingungen eingehalten werden müssen.

R:

T= a sin φ,
E α sin φ cos φ

α sin φ

damit die Amperewindungen für verschiedene Winkel gleich seien, von denen einer φ ist.

Folgendes ist der Nachweis für die Bedingung i. '

Ein Eisenkern sei mit irgend einer Menge Draht zu bewickeln und die so erhaltene Spule habe den Selbstinductionscoefficienten Z und die Windungszahl ί; derSelbstinductionscoefficientL einer anderen ähnlich gewickelten Spule von der Windungszahl T auf demselben Kern steht zu / in der Beziehung:

T² _ L

wenn die magnetische Streuung für beide Spulen dieselbe ist; diese letztere Bedingung kann innerhalb zulässiger Grenzen erfüllt werden.

Ist nun auf einem aus eiaer Anzahl von Kernen eine Spule von t Windungen gewickelt,

die einen Selbstinductionscoefficienten Z und eine Amperewindungszahl \ besitzt, so kann die Phasenverschiebung Θ nach irgend einem bekannten Verfahren ermittelt werden. Ist nun auf einem anderen dieser Kerne eine andere Spule zu wickeln, welche bei gleicher elektromotorischer Kraft E und gleicher Frequenz η des Stromes dieselbe Amperewindungszahl ^, aber eine andere Phasenverschiebung φ haben soll, so müssen sich die Windungszahlen der Spulen verhalten wie die Sinus der Phasenverschiebungen, also wie sin φ zu sin Θ, denn

( = Cr (wobei T die Windungszahl der Spule ist),

I = -γ T (wobei I die Impedanz ist).

T =

Da nun

ι =

wobei ρ = 2 π n, so ist:

Es ist aber ferner:

D

PL

tang φ

und somit

_ _{yi'(. +tang² φ)
E'¹ tang² φ

da aber
Γ²

= — und daher L² =

^- p* L·²
E² sin² φ '

so ist

Γ²:

f²

/²

£"²8Ϊη²φ
ί⁴£"²8ίη²φ = ?²ρ² Γ²/²

und schliefslich

„ t"² E

T= — sin φ.

' t'² E

Der Factor ist für diesen Kern eine

zpl

Constante a, da die Windungszahl t und der Selbstinductionscoefficient / der Spule von der Phasenverschiebung Θ, ferner die elektromotorische Kraft E, die Amperewindungszahl % und die Frequenz n, und damit auch ρ allen auf diesen Kern gewickelten Spulen gemeinsam sind. So hat man übereinstimmend mit der ersten Bedingung Τ"=Λ5ίηφ, d. h. die Windungszahlen der Spulen auf gleichen Kernen müssen sich verhalten wie die Sinus der geforderten Phasenverschiebungen.

Die zweite Bedingung ergiebt sich aus der bekannten Beziehung für Wechselstromkreis^ mit Selbstinduction

^C ~ ~R ^{C0S φ} ' ■

und aus der Gleichung C7=^.

Da nun nach der ersten Bedingung T= a sin φ und somit

C =

a sin ι

ist, so folgt unmittelbar

ρ

Ea sin φ cos φ

Hiermit ist auch gleichzeitig der Nachweis

für die dritte Bedingung C =

- erbracht.

a sin φ

Im Vorstehenden ist somit der theoretische Nachweis erbracht worden, dafs man Spulen mit gleichen Amperewindungszahlen, aber verschiedenen Phasen wickeln kann, indem man die Windungszahlen der Spulen derart bemifst, dafs sie den Sinus der Phasenverschiebungen proportional sind, und es ist auch gezeigt worden, dafs die vorstehenden Bedingungen nach den in der Beschreibung angegebenen Methoden erfüllt werden können. Die Anwendung dieser Grundsätze ist folgende:

Erste Methode.

Wenn eine Spule bekannt ist, so findet man die Verhältnisse einer anderen Spule, welche gleiche Amperewindungen und eine bestimmte Phasendifferenz giebt in folgender Weise:

Auf einem Theil eines eisernen Ringes sitze eine Spule, von der bekannt ist, dafs sie 184 Windungen hat und bei 50 Volt und 83 Perioden pro Secunde einen Strom von .5,4527 Ampere aufweist, die Amperewindungszahl ist dann 1000 und die Phasenverschiebung des Stromes gegenüber der elektromotorischen Kraft beträgt 8 5 °.

Will man nun auf demselben Ring eine zweite Spule von gleicher Amperewindungszahl anbringen, wobei die Phasendifferenz 45 ° betragen soll, so mufs man die zweite Spule so wickeln, dafs der durch sie fliefsende Strom gegenüber der elektromotorischen Kraft in der Phase nur um 40° zurückbleibt, denn 85—40 = 45.

Nach dem Obigen (unter 1) sind die T¹ Windungen gleich dem Sinus von 85⁰ multiplicirt mit einer Constanten a, und es ist

184

sin φ sin 85'

■— 184,1.

Nach vorliegender Erfindung giebt man daher der zweiten Spule eine Windungszahl, die gleich ist dieser Constanten und dem Sinus der gewünschten Phasenverschiebung gegenüber der elektromotorischen Kraft, d. h. T¹ = α sin Θ = 184,1 sin 40 = 118 Windungen.

Die Windungszahlen der beiden Spulen verhalten sich wie die entsprechenden Phasenverschiebungen, da

a sin φ
α sin Θ

sin φ
sin Θ

Der Widerstand der zweiten Spule ergiebt sich nach der Formel:

-Q

Ea sin Θ cos Θ

50 ■ 184,1 sin 40⁰ cos 40^c

1000

■ = 4)5325-

Um die Drahtstärke zu ermitteln, berechnet man sich die Stromstärke. Diese ist

c =

1000

α sin Θ

ö- — 8,415 Ampere.

184,1 sin 40

Man wickelt also die Spule aus einem für diese Stromstärke geeigneten Draht und regelt den Widerstand durch Vorschaltung entsprechender inductionsfreier Widerstände.

Zweite Methode.

Bei einem Motor oder einer ähnlichen Vorrichtung, bei der keine der Spulen bekannt ist, geht man wie folgt vor:

Nachdem man in gewöhnlicher Weise die Anzahl Amperewindungen gefunden hat, die zur Magnetisirung des Feldmagneten bis zur erforderlichen Stärke nöthig sind, berechnet man sich die Amperewindungszahl, die jede der Spulen erfordert, damit ihr Zusammenwirken den Anforderungen entspreche. Die Amperewindungszahl, welche zur Erzeugung der das Drehfeld bildenden Felder nöthig ist, sei 256.

Man wickelt auf einen Feldmagneten eine Probespule von wenigen Windungen, etwa 20, aus starkem Draht und schaltet derselben einen Widerstand oder eine Drosselspule zur Regelung des durchfliefsenden Stromes vor.

Man ordnet dann die Schaltung, wie in Diagramm X angedeutet, an und läfst einen Wechselstrom von der Frequenz, bei welcher der Feldmagnet benutzt werden soll, hindurchgehen; mit Hülfe des Rheostaten R bringt man die Stromstärke auf 12,8 Ampere. Die Amperewindungszahl ist dann 20· 12,8=256.

Man bestimmt dann die Spannungsdifferenz an den Spulenklemmen mittelst des Voltmeters V (sie sei etwa 2,9) und mifst ferner den Widerstand der Spule, der etwa 0,0662 Ohm betragen möge. Ist φ die Phasenverzögerung der Spule,

C Ti
so ist —=— = cos φ und somit im betrachteten

Falle cos φ :

I 2,8 · O,o6Ö2
2₉

= 0,2920935, woraus φ

berechnet werden kann.

Die Windungszahl t dieser Spule ist aber gleich sin φ multiplicirt mit einer Constanten b. Es ist also

b—-

sin φ

0,9563898

= 20,912.

Hier ist b die Constante für eine Reihe von Spulen, welche 256 Amperewindungen bei 2,9 Volt haben. Soll nun der Feldmagnet für 50 Volt gewickelt werden, so wird die gefundene Constante mit —— multiplicirt, man er-

2,9
hält also die Constante α für 50 Volt aus

50 b

2,₉

= 360,55·

Hat man so die Constante α gefunden, so verfährt man im Uebrigen wie bei der ersten Methode.

Auf diese Weise können die Verhältnisse der Spulen zur Erzielung genau gleicher magnetischer Wirkungen für · jede Phasenverschiebung bestimmt werden. Indessen ist es in der Praxis nicht wesentlich, diese Verhältnisse genau einzuhalten, denn viele Vortheile der vorliegenden Erfindung können durch angenäherte Einhaltung der angegebenen Verhältnisse erzielt werden. Aber jeder merkliche Unterschied der Felder ist nachtheilig und die besten Wirkungen erzielt man, wenn die Felder möglichst nahe gleich sind. .

Claims (2)

1. Patent-Ansprüche:

   i. Ein Feldmagnet zur Erzeugung eines Drehfeldes, bei welchem auf zwei unter einander gleiche und gegen einander symmetrisch angeordnete Eisenkerne zwei Wickelungen angebracht sind, die von einer und derselben elektromotorischen Kraft mit Strom gespeist werden und in Bezug auf Widerstand und Selbstinduction derart bemessen sind, dafs die sie durchfliefsenden Ströme bei verschiedener Stromstärke und Phase und verschiedener Windungszahl dieser Bewickelungen gleiche Amperewindungszahlen und hierdurch ein gleichmäfsiges Drehfeld erzeugen.
2. 2. Bei einem Motor mit einem Feldmagneten nach Patent-Anspruch ι die Anordnung einer Hülfswickelung (b) auf einem der Kerne und eines Widerstandes (C) in Verbindung mit einem Umschalter derart, dafs entweder der Widerstand oder die Hülfswickelung (b) eingeschaltet werden kann, um den Motor, wenn er angelassen ist, synchron laufen lassen zu können (Fig. 7 und 8).

   Ein Feldmagnet nach Patent-Anspruch 1, auf welchen Secundärwickelungen gewickelt sind, so dafs mit Hülfe einer Wechselstromquelle zwei secundäre gleiche Wechselströme von verschiedener Phase erhalten werden (Fig. 10).

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.