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Elektrische Maschine, insbesondere synchrone Wechselstrommaschine
Zuweilen besteht das Bedürfnis, elektrische Maschinen, vorzugsweise Synchronmaschinen,
mit einer anderen Polzahl als der Polzahl ihres Erregerteiles zu betreiben. In solchen
Fällen hat man bisher entweder mehrere aufeinanderfolgende Pole des Erregerteiles
auf gleiche Feldrichtung geschaltet und zu einem neuen Pol größerer Polteilung zusammengefaßt,
oder man hat die Maschine mit einer Oberwelle des durch die Pole des Erregerteiles
gegebenen Feldes betrieben. In beiden Fällen weichen die Polverteilungen im induzierenden
und im induzierten Teil der Maschine derart voneinander ab, daß die Polteilung des
Nutzfeldes und die Polteilung des Erregerteiles in einem ganzzahligen Verhältnis
zueinander stehen. Man kann auf diese Weise keine beliebigen Polzahlverhältnisse
erreichen und die Maschine daher nicht ohne weiteres den Betriebsbedingungen anpassen,
wegen deren man von der natürlichen Polzahl der Maschine abweichen soll.
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Die Erfindung befreit die Maschine vollständig von der Bindung an
die natürliche Polzahl des Erregerteiles und besteht darin, daß die Polverteilung
in ihrem induzierenden und im induzierten Teil derart voneinander abweichen, daß
die Polteilung des Nutzfeldes und die Polteilung des Erregerteiles in einem unganzzahligen
Verhältnis zueinander stehen. Die Polverteilung im induzierenden und im induzierten
Teil ist durch die räumliche Anordnung der Polvorsprünge oder der Wicklung des betreffenden
Teiles gegeben. Bei der erwähnten bekannten Schaltung mit mehreren aufeinanderfolgenden
Polen
gleicher Feldrichtung entfallen dagegen beispielsweise auf eine Ständerpolteilung
2 oder 3 Erregerpolteilungen des Läufers. Die Nutzfeldpolteilung entspricht hier
der Ständerpolteilung und beträgt daher ein ganzzahliges Vielfaches der Läuferpolteilung.
Die Polzahl einer solchen Maschine kann daher nur das Zweifache oder das Dreifache
bzw. die Hälfte oder ein. Drittel der natürlichen Polzahl betragen.
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Für die Zwecke der Erfindung werden beispielsweise die Pole des Erregerteiles
zu Gruppen zusammengefaßt, deren Feldgrundwelle nicht wie bei den bekannten Maschinen
zugleich die Grundwelle des Nutzfeldes, sondern eine Ober- oder Unterwelle des Nutzfeldes
ist. Der Erregerteil kann hierbei ausgeprägte Pole haben, also ein Polrad mit Polschenkeln
bilden, oder als Volltrommel ausgestaltet sein, deren Pole nicht durch die Eisenverteilung,
sondern nur durch die Anordnung der Erregerwicklung bestimmt sind. Diese kann wieder
eine konzentrierte Wicklung oder eine verteilte Spulen-oder Trommelwicklung sein.
Der Erregerteil muß nicht einmal eine Erregerwicklung enthalten, sondern kann auch
durch Dauermagnete erregt werden.
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Zur Bildung der Polgruppen werden zweckmäßig einzelne Pole des Erregerteiles
urerregt gelassen, wobei ihre Erregerspulen zweckmäßig kurzgeschlossen sind, und
die übrigen Pole zum Teil umgepolt. Um beispielsweise eine Maschine mit 2n-poligem
Erregerteil mit einem 2(n-I)-poligen oder 2(n + I)-poligen Nutzfeld zu betreiben,
wird jeder n-te Pol ausgeschaltet und jeder (n + I)-te bis (2n-I)-te Pol umgepolt.
Verhalten sich allgemein die Polzahlen des Erregerteiles und des Nutzfeldes nach
Kürzung des Verhältnisses wie n : n-I oder n : n+I, so wird jeder n-te Pol ausgeschaltet
und jeder (n+I)-te bis (n-I)-te Pol umgepolt. Die Feldkurve enthält hierbei eine
kleine Grundwelle, deren Polteilung größer ist als die Polteilung des Erregerteiles,
und ausgeprägte, z. B. 2(n-I)-polige und 2(n+I)-polige Oberfelder. Durch geeignete,
an sich bekannte Wicklungsanordnungen (Bruchlochwicklung, mehrfache Sehnung) können
alle unerwünschten Feldkomponenten in der Wicklung unwirksam gemacht werden, so
daß in dieser eine praktisch rein sinusförmige Spannung induziert wird, die dem
Nutzfeld von der gewünschten Polzahl entspricht.
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Verhält sich die Polzahl des Erregerteiles zur Polzahl des Nutzfeldes
wie n : n-2 oder wie n : n + 2, wobei n n ± I ungerade ist, so wird jeder Pol und
jeder n-te Pol ausgeschaltet und die
zwischen ihnen liegenden Pole, d. i. der bis (n-I)-te Pol um-
gepolt. Eine einfachere, aber im allgemeinen weniger vollkommene Lösung besteht
darin, daß auf die Verwendung urerregter Pole oder auf das Kurzschließen einzelner
Erregerspülen verzichtet und die Umschaltung oder Abweichung gegenüber der gewöhnlichen
Anordnung auf das Umpolen einzelner Polgruppen beschränkt wird. Es ist dann in den
angeführten Beispielen jeder n+I-te bis 2n-te oder jeder bis
n-te Pol gegenüber der gewöhnlichen Polfolge umzupolen. Die Erfindung ist vorzugsweise
für polumschaltbare Maschinen mit urganzem Polzahlverhältnis geeignet, und zwar
nicht nur für die Umschaltung im Verhältnis benachbarter Zahlen, wie z. B. 3 : 4,
4 : 5, 5 : 6, 7 : 8 usw., sondern auch für entferntere Verhältniszahlen, wie z.
B. 5 : 7, 7 : 9, 9 : II oder 5 : 8, 8 : II, II : I4 oder 7 : II, II : I5, 9 : I3,
I3 : 17 usw. Ihre Anwendung ist nur dadurch begrenzt, daß die Polbedeckung nicht
unter einen gewissen Betrag; z. B. o,5, sinken soll, damit die wirtschaftliche Ausnutzung
der Maschine nicht zu schlecht wird. Bei der Polumschaltung kann die natürliche
Polzahl des Erregerteiles mitbenutzt werden. oder es können ausschließlich Oberwellen
des durch Polgruppenbildung umgeschalteten Erregerteiles benutzt werden: Es ist
auch eine Umschaltung auf mehr als zwei Polzahlen möglich, indem man sowohl die
natürliche Polzahl des Erregerteiles als auch die Polzahl zweier oder mehrerer Oberwellen
des umgeschalteten Erregerteiles benutzt. Ist die induzierte Wicklung der Maschine
so ausgebildet, daß sie bei jeder Polzahl des Erregerteiles oder des induzierten
Teiles für die andere Polzahl oder die anderen Polzahlen einen kleinen Wicklungsfaktor
besitzt, so kann die Polumschaltung entweder auf den Erregerteil oder auf den induzierten
Teil der Maschine beschränkt werden.
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Die Erfindung ist auch auf nichtpolumschaltbare oder nicht betriebsmäßig
polumschaltbare Maschinen mit Vorteil anwendbar, wenn etwa ein vorhandenes Maschinenmodell
für eine von der ursprünglichen Bestimmung abweichende Drehzahl oder Frequenz verwendet
oder umgebaut werden soll. Der erste Fall kommt beispielsweise bei Wasserkraftgeneratoren
vor, bei denen die Turbinendrehzahl wirtschaftlich dem wechselnden Wasserstand angepaßt
werden soll. Hier ergeben sich urganze Drehzahlverhältnisse von der obererwähnten
Art.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig. I bis 4 wiedergegeben.
Fig. I stellt vereinfacht die Schaltung der Erregerwicklung eines Iopoligen Polrades
dar. Die Maschine soll durch die Umschaltung ein 8poliges oder I2poliges Nutzfeld
erhalten. Hierzu wird jeder fünfte Pol, also Pol 5 und Io, urerregt gelassen und
seine Erregerspule mit Hilfe eines Kurzschlußschalters k kurzgeschlossen. Die Pole
6 bis 9 werden gegenüber der gewöhnlichen Polfolge umgepolt. Die Erregerwicklung
besteht also aus dreierlei Teilen, einem Teil, der seine Stromrichtung dauernd beibehält
(Pol I bis 4), einem anderen Teil, in dem die Stromrichtung umgekehrt wird (Pol
6 bis 9) und einem Teil, der fallweise ausgeschaltet oder durch Kurzschließen überbrückt
wird (Pol 5 und Io). Der Erregerteil erhält hierzu vier Schleifringe a, b,
c und d, deren Bürsten teils unmittelbar, teils mittelbar über einen Umschalter
u mit dem Stromkreis der Erregerstromquelle e verbunden sind.
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Fig. 2 stellt das iopolige natürliche Grundfeld des Erregerteiles
dar. Es ist angenommen, daß dieses Feld durch geeignete Polschuhformen praktisch
oberwellenfrei ist. Nach Ausschaltung der Pole 5 und io und Umpolung der Pole 6
bis 9 hat der Erregerteil die in Fig.3 wiedergegebene Feldkurve. Der Feldverlauf
wiederholt sich nach je fünf Polteilungen des Erregerteiles, so daß diese j e einem
Polpaar des neuenFeldes entsprechen
und durch Zwischenräume getrennte
Gruppen von je vier Polschenkeln entstehen. Fig. 4 zeigt die harmonischen Komponenten
der Feldkurve. Sie enthält eine den gebildeten Polgruppen entsprechende 4polige
Grundwelle, deren Amplitude nur I7,3 % der ursprünglichen Feldamplitude beträgt,
ferner eine 8polige zweite Oberwelle mit einer Amplitude von 67,3 % der ursprünglichen
und eine I2polige dritte Oberwelle von 55 % der ursprünglichen. Die induzierte Wicklung
der Maschine ist mit bekannten Mitteln so auszuführen, daß in ihr sowohl die Grundwelle
als auch die zweite oder dritte Oberwelle unwirksam bleibt. Die Maschine wird je
nachdem mit I2poligem oder 8poligem Nutzfeld betrieben. Die Feldgrundwelle der Polgruppen
stellt eine Unterwelle, und zwar eine harmonische Welle ½ter Ordnung des 8poligen
Nutzfeldes oder 1/3ter Ordnung des I2poligen Nutzfeldes dar. Diese Unterwelle verschwindet
in der induzierten Spannung vollständig, wenn die induzierte Wicklung eine Ganzlochwicklung
ist. Auch bei Bruchlochwicklungen kann z. B. der Wicklungsfaktor der Welle ½ter
Ordnung unter o,o5 gebracht werden. Die Amplitude der zweiten Oberwelle von fast
7o % ergibt noch eine ausreichende Ausnutzung der Maschine, und man wird in verschiedenen
Fällen auch noch mit der Amplitude der dritten Oberwelle von 55 % das Auslangen
finden. Die nicht benutzten Feldoberwellen rufen zwar gegenüber einer Maschine gewöhnlicher
Bauart vermehrte Eisenverluste hervor, doch sind bei der Maschine nach der Erfindung
andererseits die Erregerverluste etwas geringer, so daß die Gesamtverluste in zulässigen
Grenzen bleiben.
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Ein 8- oder I2poliges Nutzfeld könnte man auch ohne Ausschaltung jedes
fünften Poles erhalten, indem jeder sechste bis zehnte Pol umgepolt wird. Hierbei
entstehen aber stärkere Feldoberwellen, als wenn jeder fünfte Pol entfällt. Die
beispielsweise beschriebene Polumschaltung im Verhältnis 4 : 5 : 6 ist für alle
Vielfachen dieses Verhältnisses anwendbar, also nicht nur für eine Umschaltung Iopolig
ausgebildeter Maschinen von 8 auf Io, Io auf I2 oder 8 auf I2 Pole, sondern auch
für den I6poligen oder 24poligen Betrieb von Maschinen mit 2opoligem Polrad oder
4opoligen bzw. I2opoligen Betrieb mit Ioopoligem Polrad, allgemein für den 8 n-poligen
oder I2 n-poligen Betrieb mit Io n-poligem Polrad.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig. 5 bis
7 wiedergegeben. Hier soll eine 22-polige Maschine mit I8poligem Nutzfeld betrieben
werden. Die Polzahlen des Erregerteiles und des Nutzfeldes stehen hier also im Verhältnis
II : 9. Die Erregerwicklung enthält nach Fig. 5 einen aus den Erregerspulen I bis
5 und I2 bis I6 bestehenden Teil gleichbleibender Stromrichtung, einen umzupolenden
Teil, bestehend aus den Spulen 7 bis Io und I8 bis 2I sowie einen auszuschaltenden
bzw. kurzzuschließenden Teil, der durch die Spulen 6, II, I7 und 22 gebildet wird.
Hier ist also jeder sechste und elfte Pol unerregt und jeder siebente bis zehnte
Pol umgepolt. Fig. 6 stellt das 22polige natürliche Grundfeld des Erregerteiles,
Fig. 7 die Feldkurve F des umgepolten Erregerteiles und die durch geeignete Wicklungsanordnung
allein wirksame I8polige Nutzfeldkurve N dar, deren Amplitude 67 % der ursprünglichen
Amplitude beträgt. Die Ausnutzung der Maschine läßt sich steigern, indem man sie
nicht mit Sinusfeldpolen, sondern mit Rechteckfeldpolen, also mit einem Feldluftspalt
gleicher Weite, baut und die Polbedeckung bei der kleinen Polzahl möglichst hoch
wählt. Die Amplitude des Nutzfeldes erreicht dann im ersten Ausführungsbeispiel
68,3 % der Amplitude des ursprünglichen Feldes, wenn dessen Polbedeckung o,8 beträgt.
Bei Polen mit Rechteckfeld sind im Betrieb mit der natürlichen Polzahl große Polstreuung
und größere Verluste in Kauf zu nehmen, dafür werden die Feldverluste bei Betrieb
mit in unganzem Verhältnis abweichender Polzahl kleiner.
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Die Maschinenausnutzung kann weiter verbessert werden, wenn man die
Pole des Erregerteiles in ungleichen Abständen aufeinanderfolgen läßt. Bei gewöhnlichen
Maschinen wäre dies durchaus nachteilig, dagegen wird die Wirtschaftlichkeit der
im unganzen Polzahlverhältnis betriebenen Maschinen dadurch erhöht. Nach Fig. 8
wird beispielsweise in dem den Fig. I bis 4 zugrunde gelegten Fall die Polteilung
zwischen den erregten Nachbarpolen I bis 4 und 6 bis 9 größer gewählt als zwischen
erregten und unerregten Nachbarpolen 4, 5, 6 und 9, Io, I. Die erregten Pole I bis
4 und 6 bis 9 kommen dadurch in eine Mittellage zwischen einer 8poligen und einer
Iopoligen Anordnung von gleichmäßiger Teilung. Verbindet man die Polversetzung mit
gleichbleibender Luftspaltweite, so erhält man im 8poligen Nutzfeld eine Amplitude
von 87,8 %. Die Polversetzung vermindert zwar die Leistung der Maschine für die
natürliche Polzahl, verbessert aber ihre Ausnutzung für die abweichende Polzahl.
Man kann daher bei polumschaltbaren Maschinen die Polversetzung je nach der Betriebsdauer
der einen und der anderen Polzahl so auswählen, daß die beste Gesamtausnutzung erreicht
wird.
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Die in Fig. I und 5 dargestellten Kurzschließer k können mit dem Erregerteil
umlaufen, so daß sie nur bei dessen Stillstand bedienbar sind. Sie können nach Fig.
9 mit dem Umschalter u zu einer mehrpoligen Schaltvorrichtung, z. B. einem dreipoligen
Hebelumschalter vereinigt werden, wobei man aber einen fünften Schleifring benötigt.
Der Umschalterstellt in seiner Stellung I die 8polige, in der Stellung II die iopolige
Schaltung (bzw. in Stellung I die i8polge, in Stellung II die 22polige Schaltung)
her.
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Läßt man die ganze Umschalteinrichtung mit dem Polrad umlaufen, so
kann die Zahl der Schleifringe auf zwei erniedrigt werden, was besonders bei großer
Erregerleistung eine beträchtliche Baustoffersparnis bedeutet. Fig, io zeigt einen
auf der Maschinenwelle anzuordnenden dreipoligen Schiebeumschalter, der durch einen
in' die Nut n des beweglichen Kontaktträgers f eingreifenden Hebel
während des Umlaufes bedient werden kann. Der Kontaktträger f kommt hierbei entweder
mit dem festen Kontaktträger g oder dem festen Kontaktträger h in Berührung. Die
Schaltung entspricht im übrigen der des Umschalters u nach Fig. 9.
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Will man die beweglichen Zuleitungen zum Teil f vermeiden, so ist
die Schalteinrichtung als Schiebekurzschließer nach Fig. i1 auszubilden. Dessen
verschiebbarer Kontaktträger v hat keine beweglichen Zuleitungen. In der Stellung
II schließen seine Kontaktgruppen i und o die Verbindungen zwischen dem oberen
und
dem unteren Kontaktpaar des festen Kontaktträgers h, in der Stellung I schließen
die Kontaktgruppen l und m die Verbindungen zwischen den drei oberen und den zwei
unteren Kontakten des Kontaktträgers g. Hierbei werden die gleichen Schaltungen
wie in den Stellungen I und II des Umschalters nach Fig. 9 hergestellt.