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Anordnung zur Erzeugung von Phasenverschiebungen von Wechselspannungen
zwecks Fernübertragung von Drehwinkeln Es ist vorgeschlagen worden, zur Fernübertragung
der Winkelstellung einer gegebenen Achse über eine elektrische Leitung ein Phasenkriterium
zu verwenden, d. h. als Maß für die Winkeldrehung der Achse relativ zu einem Festpunkt
die Phasenverschiebung einer Frequenz gegen eine gleiche Frequenz mit gegebener
Phasenlage (Bezugsphase) zu verwenden. Bei einer solchen Anordnung müssen sowohl
im Geber als auch im Empfänger Systeme vorhanden sein, die es gestatten, eine beliebige
mechanische Winkelstellung einer Achse in eine entsprechende Phasenverschiebung
einer Wechselspannung umzuwandeln. Solche Systeme, die im folgenden kurz als Phasensysteme
bezeichnet werden sollen, bestehen im besonderen aus einem mit mehreren Polen ausgerüsteten
Ständer, in dem ein mit einer Einphasenwicklung versehener Anker rotieren kann.
Die Pole sind mit phasenverschobenen Strömen erregt und räumlich so versetzt, daß
ein magnetisches Drehfeld entsteht, das in der Ankerwicklung je nach deren Stellung
eine Wechselspannung von entsprechender Phasenverschiebung induziert.
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Wenn das Feld nicht genau ein Kreisfeld ist, sondern wegen der nicht
genau homogenen einzelnen Wechselfelder Abweichungen aufweist, wird die Linearität
zwischen Phasenlage der Wechselspannung und Winkelstellung der Achse gestört. Solche
Abweichungen von der Linearität können durch Anbringen mehrerer hintereinandergeschalteter
Wicklungen auf dem Anker ausgeglichen werden (Kompensationswicklungen
).
Zur Aufstellung solcher Kompensationswicklungen wurde folgende Gleichung (I) angegeben:
z1 ₧ ein,1 + z2 ₧ einJ2 + z3 ₧ einm3 + . . . = 0.
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Darin bedeuten zi, z2. . . die Windungszahlen der einzelnen Wicklungen,
ß1, ß2 die Winkel, um die die einzelnen Windungen gegen eine Nullstelle verschoben
sind, n die Nummer der räumlichen Oberwelle des magnetischen Flusses, die kompensiert
werden soll.
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Für jede Oberwelle läßt sich eine gesonderte Gleichung aufstellen,
und die Lösung der Gleichungen ergibt eine Wicklung, die mit m Einzelwicklungen
(m - I) räumliche Oberwellen des Drehfeldes kompensiert.
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Als Beispiel sei eine Wicklung angeführt, die zur Kompensation der
dritten, fünften, siebenten und neunten Oberwelle dienen kann. Indem die Gleichung
(I) mit insgesamt fünf Gliedern viermal angesetzt wird, wobei n der Reihe nach gleich
3, 5, 7 und 9 wird, entstehen nach einfacher Umformung vier komplexe Gleichungen
mit den acht Unbekannten
Die vier komplexen Gleichungen ergeben, in Real-und Imaginärteil zerlegt, acht algebraische
Gleichungen, so daß das Gleichungssystem gelöst werden kann.
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Die Lösung im angenommenen Fall ergibt
In der Fig. I ist ein Schema für eine derartige Wicklung angegeben. Die Wicklungsachsen
schließen jeweils einen Winkel von 30° miteinander ein, während sich das Verhältnis
der Windungszahlen aus obigen Angaben ergibt. Das Wicklungsschema ist mit Zeichen
versehen worden, die die Wicklungsrichtung erkennen lassen, und zwar bedeutet ein
Kreis mit einem darin befindlichen Punkt, daß die Wicklungsrichtung aus der Zeichenebene
heraustritt. Ein Kreis mit einem darin befindlichen Kreuz bedeutet, daß die Wicklungsrichtung
in die Zeichenebene hineintritt. Alle fünf Wicklungen sind hintereinandergeschaltet.
Bei Anwendung der Kompensationswicklungen war als eine Voraussetzung angegeben,
daß der magnetische Widerstand des Ankers beim Durchdrehen sich nicht ändert, so
daß praktisch der Anker als reiner Rotationskörper ohne Nuten ausgebildet werden
mußte. Dabei tritt die Notwendigkeit auf, die gesamte Ankerwicklung nicht in Nuten,
sondern in dem Luftspalt über dem Anker unterzubringen. Der Luftspalt wird dadurch
abnorm groß, und damit treten wesentliche Nachteile auf. Die zur Erreichung einer
gewünschten Ausgangsspannung erforderliche Erregerleistung wächst außerordentlich
stark an; außerdem bekommt das System die Eigenschaften eines Transformators mit
großer Streuung. Letzteres äußert sich besonders unangenehm darin, daß die Kopplung
zwischen Primär- (Erregerwicklung) und Sekundär-Wicklung (Ankerwicklung) bei niederen
Frequenzen sehr rasch abnimmt, so daß die in der Speisespannung vorhandenen zeitlichen
Oberwellen verhältnismäßig besser übertragen werden und die Kurvenform der Ausgangsspannung
des Phasensystems stark verzerrt wird. Alle diese Nachteile könnten behoben werden,
wenn die Nuten imAnker selbst untergebracht werden und dadurch der Luftspalt kleiner
wird. Die Nuten müssen, um eine eindeutige kompensierbare Oberwelle im magnetischen
Fluß zu erzeugen, regelmäßig über dem Umfang verteilt sein. Um die oben angegebene
fünfteilige mit je 30° Abstand der Wicklungen unterzubringen, müssen demnach zweimal
sechs Nuten über dem Umfang gleichmäßig mit je 30° Abstand verteilt sein. Der magnetische
Fluß wird beim Durchdrehen des Ankers zwölfmal verstärkt und zwölfmal geschwächt,
d. h. es entsteht in ihm eine zwölfte Oberwelle. Die obenerwähnte fünfteilige Ankerwicklung
kompensiert aber gerade diese Oberwelle am wenigsten, denn die Windungen der einzelnen
Nuten bekommen die Spannungen der zwölften Oberwelle alle mit gleicher Phase induziert,
so daß die zwölfte Oberwelle sich sogar noch ausgeprägter ausbildet als die Grundwelle
selbst, für die der Wicklungsfaktor kleiner als I ist. Es läßt sich zeigen, daß
bei beliebiger Zahl von Ankernuten, die gleichmäßig über die Ankeroberfläche verteilt
sind, keine Kompensation der durch die Nuten erzeugten Oberwellen stattfindet, gleichgültig
wie die Windungszahlen über die Nuten verteilt sind, da dann die in den einzelnen
Wicklungen induzierten Spannungen sich algebraisch addieren und nie aufheben können.
Es ist in der Technik des Motorenbaues bekannt, den Einfluß der Nutenharmonischen
durch Schrägstellen der Ankernuten bzw. durch Schrägstellen der Pole zu dämpfen.
Es ist erkannt worden, daß durch sinngemäße Anwendung dieser Methode auch für den
Fall des Phasenübertragungssystems eine Verbesserung geschaffen werden kann, bei
dem ja die Anforderungen an Genauigkeit der Phase der Ausgangsspannung sehr hoch
gestellt sein müssen und bei dem schon geringe Reste an Nutenharmonischen sehr störend
wirken.
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung von Phasenverschiebungen
von Wechselspannungen zwecks Fernübertragung von Drehwinkeln nach dem Phasenprinzip
mit besonders geringem Störeinfiuß durch räumliche und zeitliche Oberwellen. Erfindungsgemäß
ist eine nach dem Gleichungsschema z1 ₧ einb1 + z2 ₧ einb2 + ... +
zm ₧ einbn gefundene Wicklung mit gleichmäßiger Winkelverteilung ' ß1 3 '
ß2 - . . . = ,ryt, - ß.ny-1) in
gleichmäßig über den Ankerumfang verteilten Nuten des Ankereisens untergebracht,
wobei die Nuten derart schräg gestellt sind, daB ihre Steigungen (als Schraubenlinie
gedacht) das
-fache der Ankerlänge betragen.
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Fig. zeigt einen Anker mit schräg gestellten Nuten. Die beiden finit
dze@ und dw' bezeichneten Wickelelemente sind räumlich um z5° gegeneinander verdreht,
wenn der Anker insgesamt zwölf Nuten mit je 30° Abstand besitzt und die i Tuten
durch die Schrägstellung eine Schraubenlinie mit der Steigung
der
zwölffachen Ankerlänge bilden. Wenn die Polform der Erregerpole längs der ganzen
Achse des Ankers gleichbleibend ist, werden in den beiden Wickelteilcben demnach
Spannungswerte induziert, die in ihren Effektivwerten um I5° gegeneinander verschoben
sind, d. h. bei denen die zwölfte Oberwelle kompensiert wird. Da sich zu jedem Wickelteilchen
dw der einen Ankerhälfte ein um I5° versetztes Wickelteilchen dw' der zweiten Ankerhälfte
zuordnen läßt, findet insgesamt eine Kompensation der dreizehnten Oberwelle statt;
die Schrägstellung der Nuten um insgesamt 3o° (radial an beiden Ankerenden gemessen)
wirkt genau wie eine um 1,5' räumlich versetzte Wiederholung der gesamten Wicklung.
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Bei der beschriebenen Ausführung würde auf jeder Ankerhälfte eine
Nut leer bleiben, da für die Wicklung nur fünf Nuten benötigt werden. Man kann,
um diese Nut noch mit für die Wicklung auszunutzen, die fünfteilige Wicklung auf
dem Anker nochmal, aber um 3o° versetzt anbringen. Die Windungszahlen in den einzelnen
Nuten werden dann wie folgt:
Durch die Wiederholung der Wicklung mit 3o° Versetzung wird eine etwaige sechste
Oberwelle des Flusses kompensiert.
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Fig. 3 zeigt eine Zusammenstellung der theoretisch errechneten Dämpfungen,
die die räumlichen Oberwellen bei der fünfteiligen Ankerwicklung erfahren, und dazu
die Dämpfungswerte, die bei Kombination von schrägen Nuten und sechsteiliger Ankerwicklung
entstehen.
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In der Fig. 3 ist eine Darstellung für die Reduzierung der räumlichen
Oberwellen gegeben. Die gestrichelte Linie gilt für eine fünfteilige Wicklung, die
stark ausgezogene Linie für eine sechsteilige Wicklung mit schrägen Nuten.
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Praktische Versuche haben die Brauchbarkeit der beschriebenen Anordnung
voll bestätigt. Man erhält ein Phasensystem, bei dem räumliche Oberwellen nicht
mehr störend auftreten und das auch die zeitlichen Oberwellen in der Ankerspannung
kaum stärker hervortreten läßt, als sie in der Speisespannung schon sind.
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Natürlich läßt sich auch jede andere Wicklung, die aus dem Gleichungssystem
I gewonnen wird, zusammen mit Schrägstellung der Nuten anwenden, wenn nur die Winkelabstände
gleichmäßig sind. Die oben erläuterte Anordnung soll nur als Musterbeispiel für
viele mögliche Lösungen gelten.