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Polumschaltbarer Drehstrominduktionsmotor für zwei Geschwindigkeiten
Polumschaltbare Induktionsmotoren zum wahlweisen Betreiben mit zwei Polzahlen und
zwei Geschwindigkeiten, die in umgekehrtem Verhältnis zu dem Verhältnis der beiden
Polzahlen stehen, sind bekannt und praktisch weit verbreitet. Am bekanntesten sind
hierbei Maschinen mit einem Polzahlverhältnis 2: 1, doch sind auch Maschinen mit
beispielsweise einem Polzahlverhältnis 3: 1 bekannt.
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Die meist unter dem Namen Dahlander-Maschine bekannte Maschine mit
einem Polzahlverhältnis von 2: 1 hat Umschaltverbindungen, die zu den Enden und
den Sternpunkten der Dreiphasenwicklungen führen, um wahlweise eine Reihen- oder
Parallelverbindung der Phasenwicklungshälften vorzunehmen, wobei in der einen Schaltung
die doppelte Polzahl in jeder Phase erreicht wird wie in der anderen Schaltung.
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Die Maschine mit einem Polzahlverhältnis von 3: 1 hat ähnliche Schaltverbindungen
zwischen den Phasenwicklungen, um entweder Parallel- oder Reihenverbindungen zwischen
den einzelnen Phasenwicklungsdritteln und dadurch die Schaffung der entsprechenden
,Polzahl für jede Phase zu bewirken.
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Diese Methode der Reihen- und Parallelschaltung der Phasenwicklungen
kann weiter ausgedehnt werden, um auch andere Polzahlverhältnisse zu erhalten. Theoretisch
wenigstens könnte jede Spule einer Phasenwicklung mit getrennten, aus dem Spulenkörper
herausgeführten Leitungen für Schaltverbindungen versehen werden und somit eine
große Zahl von Reihen-Parallel-Schaltkombinationen und eine entsprechende Zahl von
wahlweisen Polzahlen jeder Phase erreicht werden.
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So finden sich in der technischen und in der Patentliteratur eine
Anzahl von Maschinen beschrieben, die zwar nicht wie im Extremfalle von jeder Spule
Schaltverbindungen nach außen geführt haben, die aber so viele Schaltverbindungen
herausgeführt haben, daß für jede Phasenwicklung verschiedene Polzahlen erhalten
werden können, die auch in einem eng benachbarten Polzahlverhältnis, das kleiner
als 2: 1 ist, zueinander stehen. Dabei werden Maschinen mit Stabwellenwicklungen
beschrieben, welche eine Polzahländerung in eng benachbartem Verhältnis, insbesondere
14:16, 8: 10 und 10: 14 Polen vorsehen, jedoch sind für derartige
Maschinen im Minimum zwölf Anschlüsse zur Umschaltung einer Dreiphasenwicklung erforderlich.
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In der Praxis ist jedoch das Herausführen einer so großen Anzahl von
Schaltverbindungen nicht erwünscht, so daß solche Maschinen nicht so weit verbreitet
sind wie die mit einem Polzahlverhältnis von 2: 1 und 3.- 1 arbeitenden
Maschinen. Es sind noch andere polumschaltbare Maschinen bekanntgeworden. Einige
benötigen Spulen, die zur Änderung der Polzahl von einer Phasenwicklung zu einer
anderen zugeschaltet werden. Dies erfordert immer - wie schon ausgeführt
- verhältnismäßig viele (mehr als zwölf) Schaltklemmen. Einige dieser bekannten
polumschaltbaren Maschinen erzeugen ferner einen magnetischen Fluß, der einen unannehmbar
hohen harmonischen Anteil besitzt, wie dies durch Einbuchtungen von Teilen der magnetischen
Flußkurve augenscheinlich wird. Durch die vorliegende Erflndung können Maschinen
geschaffen werden, welche bei beiden Polzahlen eine brauchbare Wellenform besitzen.
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Die Erfindung löst die Aufgabe, einen polumschaltbaren Drehstrominduktionsmotor
zu schaffen, der eine verringerte Anzahl von Schaltverbindungen zwischen den einzelnen
Spulengruppen in Vergleich zu den bekannten Schaltungen benötigt.
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Die Erfindung geht aus von einem Drehstrominduktionsmotor mit drei
Phasenwicklungen A, B, C,
die aus mehreren miteinander
verbundenen, eine Folge von um
(r = ganze, nicht durch 3 teilbare Zahl) gegeneinander
versetzten
und dadurch P Polpaare bestimmenden Spulengruppen +A-C+B-A+C-B bildenden Spulen
bestehen, die innerhalb jeder Phasenwicklung so umgeschaltet werden, daß in bestimmten
Spulen, insbesondere in der Hälfte der Spulen, jeder Phasenwicklung ein entgegengesetzter
Stromfluß zustande kommt, wodurch die Durchflutungsamplituden der ursprünglich von
den Spulen jeder Phase erregten 2P Pole derart verändert werden, daß eine Wicklung
mit einer anderen, vorzugsweise nicht durch 3 teilbaren Polpaarzahl entsteht, wobei
das Verhältnis der größeren zur kleineren Polpaarzahl geringer als 2:1 ist.
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Die Erfindung besteht darin, daß die Durchflutungsamplitudenänderung
der 2P Pole durch Übergang von der Reihen- zur Parallelschaltung von Wicklungsteilen,
insbesondere der Hälfte, jeder Phasenwicklung, unter Verwendung von weniger als
zwölf, vorzugsweise sechs Anschlüssen mittels dreier identischer, jeweils um ein
Drittel einer Drehung rund um den Umfang der Dreiphasenwicklung gegeneinander versetzter,
regelmäßiger Muster von Modulationswellen bestimmt wird, von denen jeder ursprünglichen
Phasenwicklung A, B, C jeweils eine zugeordnet wird, daß jede Modulationswelle aus
M vollen Perioden (M = ganze Zahl) mit je einer positiven Halbwelle (z. B. bestimmt
durch die ihre ursprüngliche Polarität beibehaltende Hälfte der Pole jeder Phase)
und aus einer negativen Halbwelle (z. B. bestimmt durch die andere Hälfte der Pole
mit gewechselter Polarität) besteht und bei kleinem M außerdem die Elimination entweder
des ersten oder des letzten Pols einer jeden Halbwelle bzw. statt dessen die Nichtgleichförmigkeit
der Magnetflußamplituden der 2P Pole zur Folge hat, wodurch die ersten und letzten
Pole einer jeden Halbwelle eine kleinere Durchflutungsamplitude aufweisen als die
dazwischenliegenden Pole, daß die durch die Modulation entstehenden Phasendurchflutungsmuster
zwei
Solch eine Feldverteilung entspricht zwei überlagerten Feldern, von denen eines
die Polzahl (p + 2k) und das andere die Polzahl (p - 2k) besitzt. Es sei darauf
hingewiesen, daß der eine dieser Klammerausdrücke eine Polzahl darstellt, die größer
als die ursprünglich vorhandene, und daß der andere Ausdruck eine Polzahl darstellt,
die kleiner als die ursprünglich vorhandene Polzahl ist.
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Der Operator C ₧ sink #, bei dem k = 1 ist, ist durch die rechteckige
Form nach der F i g. 1b dargestellt. Der Operator der F i g. 1b entspricht in seiner
Wirkung der Umkehrung einer Hälfte der Phasenwicklung relativ zu der anderen. Die
resultierende Feldverteilung ist in F i g. 1c gezeigt, aus der entnommen werden
kann, daß die Pole 1 bis 4 entsprechend F i g. 1a unverändert bleiben und daß die
Pole 5 bis 8 in bezug auf die entsprechenden Pole der F i g. la umgekehrt
sind.
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In diesem Beispiel ist die in F i g. 1c gezeigte Feldverteilung auch
so zu erklären, daß sie aus einem 6poligen und einem überlagerten 10poligen Feld
besteht.
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Ein raummoduliertes Feld, das aus der Kombination von Feldern besteht,
die zwei Polzahlen entsprechen, ist allein für sich ungenügend, einen geschwindigkeitswahlweise
mögliche Polpaarwerte (P + M) und (P - M) für die andere Polpaarzahl
ergeben und daß bei Einführung der den drei Phasenwicklungen in der Spulengruppenfolge
+ A - C + B - A + C - B
zugeordneten Modulationswellen
in der Reihenfolge A, B, C die Polpaarzahl P
- M bzw. bei Einführung der Modulationswellen in der Folge
A, C, B die Polpaarzahl P + M eliminiert wird.
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Die besondere Art der Polumschaltung bei der erfindungsgemäßen Maschine
kann als Polamplitudenmodulation bezeichnet werden.
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Die zugrunde liegende Theorie wird nachstehend erläutert, so daß die
erfindungsgemäße Maschine von einem Durchschnittsfachmann für verschiedene wahlweise
Polzahlen entworfen werden kann.
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Die zur Erzeugung zweier neuer Polzahlen jeder Phasenwicklung notwendigen
Schritte werden im folgenden an Hand der F i g. 1 der Zeichnung erläutert.
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Die F i g. 1 a stellt die Verteilung der magnetomotorischen
Durchflutung und den resultierenden Fluß einer 8poligen Dreiphasenwicklung dar.
Zur Vereinfachung sind die Halbwellen in rechteckiger Form gezeichnet anstatt der
tatsächlich vorhandenen sinusförmigen Form.
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Solch eine Verteilung kann als ein Feld bezeichnet werden, dessen
Stärke
ist, wobei A die Amplitude und p die Polzahl bedeutet, die in diesem
Beispiel = 8 ist.
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Wenn die Polamplitude A im Raum durch einen Operator der Form
C - sin k 0 moduliert wird, wobei k
irgendeine ganze Zahl sein
kann, die im Beispiel jedoch 1 ist, dann wird: umschaltbaren Motor zu ergeben.
Es ist nötig, das Feld, das der einen der beiden Polzahlen entspricht, zu unterdrücken.
Dieses Erfordernis kann in einem Dreiphasenmotor verwirklicht werden, in dem man
das modulierte Feld jeder Phasenwicklung mit dem entsprechenden Feld der anderen
zwei Phasenwicklungen kombiniert. Das der niedrigen Polzahl ent# sprechende Feld
oder das Feld, das der höheren Polzahl entspricht, kann in dem resultierenden Feld
entsprechend der relativen elektrischen Unterteilung der drei Phasenwicklungen unterdrückt
werden.
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Wenn der elektrische Abstand zwischen drei gleichen sinusförmig verteilten
Wicklungen 2m - ir ist, wobei m eine ganze Zahl ist, und die drei
Wicklungen mit Dreiphasenstrom betrieben werden, ist die resultierende magnetomotorische
Durchflutung in irgendeinem Punkt immer Null. Obwohl der normale Abstand zwischen
den Phasen einer Dreiphasenwicklung
rr ist, kann dieser Abstand auch
gewählt werden, wobei r eine ganze Zahl ist, die jedoch nicht = 3 oder einem
Vielfachen von 3 ist, ohne daß eine Änderung eintritt.
Der
Abstand ist der elektrische Abstand, und es ist bekannt, daß ein räumlicher Abstand
der Phasenwicklungen einen unterschiedlichen elektrischen Abstand je nach der Zahl
der Pole darstellt. Daher ist es möglich, einen bestimmten räumlichen Abstand zu
wählen, der einen elektrischen Abstand von 2m ₧ 7c für nur eine der Polzahlen
(p + 2k) oder (p - 2k) darstellt, indem der Wert der Größe r entsprechend gewählt
wird.
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Es kann durch eine einfache Überlegung gezeigt werden, daß es möglich
sein muß, das der Polzahl p + 2k entsprechende Feld in dem resaltierenden Dreiphasenfeld
zu unterdrücken und gleichzeitig korrekte Phasenabstände für die Polzahl p - 2k
zu erhalten. Hierfür muß die folgende Beziehung eingehalten werden:
Demgegenüber ist die Bedingung, um das Feld, das der Polzahl p - 2k entspricht,
zu unterdrücken und das Feld der Polzahl p + 2k im vorherbestimmten
Phasenabstand zu erhalten:
wobei p die Polzahl der Grundwicklung ist. 2k ist die Polzahl, die addiert oder
subtrahiert wird durch Polamplitudenmodulation, m ist eine ganze Zahl, und
ist der elektrische Abstand zwischen den drei Phasenwicklungen, der der Polzahlp
der Grundwicklung entspricht.
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Im folgenden wird nachgewiesen, daß die Beziehungen
und
mit der im weiteren Verlauf der Beschreibung definierten Modulationswellenfolge
A, B, C bzw. A, C, B zur Eliminierung der Polpaarzahlen P - M bzw. P + M identisch
sind.
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Der elektrische Abstand für jede Dreiphasenmaschine ist:
Winkelgrad (elektrisch). (1) Normalerweise ist r = 1, aber es kann auch jede andere
ganze Zahl sein, die nicht ein Mehrfaches von 3 ist.
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Wenn Mehrfache von 2 z ausgeschlossen werden, besitzt Ausdruck (1)
zwei mögliche Werte:
Bei der in der weiteren Beschreibung und zur Definition der Ansprüche verwendeten
einfacheren mathematischen Beziehung wird vorgezogen, eine Dreiphasenwicklung mit
2P Polpaaren, die 360' (mechanisch) des Wicklungsumfangs eines Stators besetzen,
und drei Punkte X, Y, Z, welche um 120' gegeneinander versetzt sind, zu betrachten.
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Es ist dann 2P (Polpaare) = p (Pole) (2) und 2 ir P (elektrisch) =
360' (mechanisch). (3) Betrachtet man den einfacheren Fall der symmetrischen Polamplitudenmodulation,
bei der die Polamplitadenmodulationswellen Ausgangspunkte besitzen, die mit ihren
entsprechenden Phasenwizklungsanfangspunkten zusammenfallen und Polpaarzahlen, die
gleich einem Mehrfachen von
3 sind, ausgeschlossen werden, gibt es zwei mögliche
Anordnungen der Phasenwicklungen, damit der Ausdruck (1) erfüllt ist. Werden die
Phaseawicklungen in der Folge A, B, C angenommen und wird der Anfangspunkt der Phasenwicklung
A so gelegt, daß der mit Punkt X zusaimmenfällt, ergibt sich folgendes:
| A 0° X A 0° |
| B 120° Y B 240° |
| C 240' Z C (48°) 12° Y |
| A 360° X A (720°) 0° X |
Danach ist an den Punkten X, Y und Z die erste Phasenfolge
A, B,
C und die zweite
A, C,
B. -
Der ursprüngliche Ausdruck für den elektrischen Abstand ist gegeben
als:
wobei k die Änderung in der Polpaarzahl bedeutet. Eine Modulationswelle von
M Perioden entspricht nun einer modulierten Polzahländerung von k
Polpaaren.
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Ausdruck (4) kann damit geschrieben werden:
oder
Der Ausdruck (P + M) stellt nun die modulierte Polpaarzahl
dar, welche eliminiert wird. Bei der symmetrischen Polamplitudenmodulation ist diese
eliininierte Polpaarzahl immer ein Mehrfaches von 3.
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Da m jede beliebige ganze Zahl darstellt, ist eine Lösung der Gleichung
(5):
r = P.
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Daraus folgt, daß der Phasenwicklungsabstand
(mechanisch) sein muß.
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Dies bedeutet, daß die Phasenwicklungen in jeder Phasenfolge
A, B, C oder A, C, B um 120' gegeneinander
versetzt sind.
Verschiedene Verallgemeinerungen können gemacht werden.
Eine Modulationswelle einer ganzen Periode produziert immer zwei modulierte Polzahlen,
die sich von der ursprünglichen unmodulierten Polzahl durch ein Polpaar unterscheiden,
zwei volle Perioden durch zwei Polpaare usw.
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Wenn beispielsweise die Wellenform nach F i g. 1a bei einer halben
Umdrehung der Phasenwicklung erzeugt würde und in der zweiten Halbdrehung wiederholt
würde, wäre die unmodulierte Polzahl 16 Pole. Wenn die Modulationswelle nach F i
g. 1b während einer ganzen Periode unverändert bleibt, würden die zwei modulierten
Polzahlen sein: 14 Pole und 18 Pole. Die vorliegende Erfindung ermöglicht das Eliminieren
des 18poligen Feldes, um dadurch eine zwischen 16 und 14 Polen umschaltbare Maschine
zu erhalten.
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Wenn die Wellenform nach F i g. 1a und die Modulationswelle nach F
i g. 1b beide wiederholt werden, würde die unmodulierte Polzahl 16 Pole betragen
und die beiden modulierten Polzahlen 12 und 20 Pole.
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Die vorliegende Erfindung erlaubt das Eliminieren des Zwölfpolfeldes,
so daß eine 16/20polige Maschine erhalten wird.
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Es gilt somit folgende erste Regel: Wenn eine Polamplitudenmodulationswelle
einer Phasenwicklung mit P Polpaaren zugeleitet wird, werden zwei neue Polzahlen
in der resultierenden magnetomotorischen Wellenform geschaffen. Eine neue Polzahl
ist 2 (P - M) und die andere ist 2 (P + M), wobei M die Zahl der ganzen Perioden
der Modulationswelle ist.
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Für das Eliminieren der unerwünschten Polzahl müssen bei einer Dreiphasenwicklung
gemäß der Erfindung die drei Modulationswellen, die den Phasenwicklungen zugeführt
werden, um 120 mechanische Grad um die Wicklungsachse gegeneinander versetzt sein.
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Da 120 mechanische Grad einem Drittel einer Umdrehung um die Wicklungsachse
entsprechen, ist es einleuchtend, daß dieses Erfordernis der gegenseitigen Versetzung
sowohl bei einer Phasenfolge A, B, C als auch bei einer
Phasenfolge A, C, B erfüllt werden kann.
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Die gewählte Phasenfolge bestimmt, ob die höhere oder niedrigere modulierte
Polzahl in dem Dreiphasenfeld eliminiert wird.
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Es gilt semit folgende zweite Regel: Wenn beispielsweise bei Drehrichtung
im Uhrzeigersinn die elektrische Phasenfolge A, B, C entsprechend der Spulengruppenfolge
+ A - C + B - A + C - B ist und wenn die drei Modulationswellen diesen drei Phasenwicklungen
alle in diesem Bezugssinne zugeführt werden (beginnend mit einer positiven Halbwelle),
dann müssen, um eine der modulierten Polzahlen aus dem Dreiphasenfeld zu eliminieren,
entsprechende Punkte der Modulationswellen der Dreiphasenwicklungen um die Wicklungsachse
um 120 mechanische Grad gegeneinander versetzt sein.
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Ist diese Bedingung erfüllt, wird die niedrigere Polzahl eliminiert,
und die höhere Polzahl bleibt wirksam, wenn die Medulationswellen an den um 120'
gegeneinander versetzten Punkten der Phasenfolge A, B,
C
im Bezugsdrehsinne entsprechen. Die höhere Polzahl wird eliminiert,
und die niedrigere Polzahl bleibt wirksam, wenn die Modulationswellen an den um
120' gegeneinander versetzten Punkten im Bezugsdrehsinne der Phasenfolge A, C, B
entsprechen. Eine besonders einfache und wirkungsvolle Ausführungsfonn gemäß der
Erfindung ergibt sich, wenn die eliminierte Polzahl ein Vielfaches von drei Polpaaren
ist.
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Polzahlen, die ein Vielfaches von drei Polpaaren sind, haben eine
spezielle Bedeutung in der praktischen Wahl der zweiten Polzahl für eine Dreiphasenwicklung
gemäß der Erfindung.
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Es ist leicht einzusehen, daß für irgendeine Polzahlkombination P,
(P + M) und (P - M) eine dieser drei Polzahlen immer drei Polpaare oder ein Vielfaches
von drei Polpaaren betragen muß.
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Bei einer Betrachtung der Lage der Spulen von irgendeiner Phasenwicklung
einer Dreiphasen-Ganzloch-Nutenwicklung für eine unmodulierte Polzahl, die ein Mehrfaches
von drei Polpaaren ist, also P = 3 n Polpaare, zeigt sich, daß alle drei um 120'
um die Wicklungsachse miteinander versetzten Punkte immer alle in der gleichen Phasenwicklung
liegen. In solch einem Falle kann die vorstehend erwähnte Regel über die räumliche
Versetzung der Punkte nicht angewendet werden. Dementsprechend betrifft die vorliegende
Erfindung keine Maschine, in der die unmodulierte Polzahl ein Vielfaches von 3 ist,
außer die Zahl der vollen Perioden ist ebenfalls ein Vielfaches von 3.
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Außerdem ist ersichtlich, daß bei einer Dreiphasenwicklung für eine
unmodulierte Polzahl der Form (3 n + 1) Polpaare die mechanische Versetzung um 120'
der Dreihpasenwicklungen nur erzielt werden kann bei der Phasenfolge A, B, C. Gleichermaßen
kann bei einer Wicklung für eine unmodulierte Polzahl der Form (3 n - 1) Polpaare
die mechanische Versetzung um 120' der Phasenwicklungen nur bei der Phasenfolge
A, C, B verwirklicht werden.
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Polkombinationen, die für eine Maschine praktisch benutzbar sind,
sind z. B. die folgenden: Für M = 1: 8: 10, 14: 16, 20: 22, 26: 28, allgemein ausgedrückt
(6 n + 2): (6 n + 4).
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Für M # 2. 10: 14, 16.- 20, 22: 26, 28: 32,
allgemein ausgedrückt (6 n + 4): (6 n +
8).
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Für M = 3: 24: 30, 42: 48, 60: 66,
allgemein ausgedrückt (18 n + 6): (18 n + 12).
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Für M = 4: 14: 22, 20: 28, 26: 34,
32: 40, allgemein ausgedrückt (6 n + 8): (6
n + 16), usw. Es sei hier darauf hingewiesen, daß einige der
Polzahlverhältnisse, die mit den höheren k-Werten erhalten werden, dem Vielfachen
der Verhältnisse entsprechen, die mit niedrigen k-Werten erhalten werden.
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Zur Erzielung einer besseren Feldkurve in der modulierten Schaltung
ist es bei kleinem M erforderlich, zusätzlich zur einfachen Umkehrung einer Hälfte
jeder Phasenwicklung relativ zur anderen Hälfte zu solch einer Umkehrung einen oder
mehrere Pole der zwei Hälften einer Phasenwicklung zu unterdrücken oder in der Magnetisierung
zu reduzieren.
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Die Unterdrückung der Pole wird vorzugsweise dadurch erzielt, daß
die Spulen einzelner Pole abgeschaltet werden. Die Verringerung der Erregung wird
vorzugsweise durch Abschaltung einiger der Spulen einzelner Pole erzielt.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert -F i
g. 1 a stellt die Verteilung der magnetomotorischen Durchflutung einer Phasenwicklung
eines Spoligen
Dreiphasenmotors dar, die in 48 Nuten mit zwei Spulen
pro Pol gewickelt ist. In der unmodulierten Bedingung nach F i g. 1a kann die Wicklung
wie folgt dargestellt werden: +2 +2 +2 +2 +2 +2 +2 +2.
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In dieser Anordnung geht das Pluszeichen jedem Pol voraus und zeigt
die Richtung des Stromes in der Wicklung an. Diese ist nicht mit der magnetischen
Polarität zu verwechseln, die in der unmodulierten Bedingung wechselweise Nordpol
und Sülpol ist.
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Nach Modulation durch den Operator nach F i g. 1b, der eine Hälfte
der Wicklung relativ zu der anderen umdreht, kann die modulierte Wicklung wie folgt
dargestellt werden: +2 +2 +2 +2 -2 -2 -2 -2. Das Minuszeichen stellt eine Umkehrung
der Stromrichtung relativ zu der unmodulierten Bedingung dar. Damit wird aus einem
Nordpol nunmehr ein Südpol und aus einem Südpol ein Nordpol, wie es in F i g. 1c
gezeigt ist.
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In F i g. 5 ist eine Phasenwicklung gezeigt, die in der einen Verbindung
die Verteilung der magnetomotorischen Durchflutung entsprechend F i g. 1a und die
in der anderen Verbindung die Verteilung der magnetomotorischen Durchflutung entsprechend
der F i g. 1c erzeugt. Obwohl jeder Pol zwei Spulen besitzt, sind diese zur Vereinfachung
der Darstellung als eine einzige Spule dargestellt, weil diese zwei Spulen immer
zusammen verbunden bleiben. Aufeinanderfolgende Spulen sind in entgegengesetzter
Richtung verbunden, und die Verbindung der Spulen 4 und 5
ist an eine Klemme
13 gelegt. Die Enden der Phasenwicklung sind an Klemmen 11 und 12 gelegt.
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In der modulierten Schaltung sind die Wicklungshälften 1 bis 4 und
5 bis 8 in Reihe geschaltet. Der Strom fließt in der Richtung der Pfeile
A, und die obere Reihe der Buchstaben N und S zeigt die resultierende Polverteilung.
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In der unmodulierten Schaltung sind die Anschlüsse 11 und 12 verbunden,
und die zwei Hälften 1 bis 4 und 5 bis 8 der Wicklungen sind parallel geschaltet.
Der Strom fließt dabei durch die Wicklungen in der Richtung der Pfeile B, und die
resultierenden Pole sind durch die untere Reihe der Buchstaben dargestellt.
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Die wechselweise erzeugten Pole entsprechen daher der in den F i g.
1a und 1c gezeigten Verteilung.
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Wie aus F i g. 5 entnommen werden kann, benötigt diese Anordnung drei
herausgeführte Leiter pro Phase. Eine entsprechend wirkende Anordnung der Polwicklungen
ist auch dadurch möglich, daß die Wicklungshälfte 5 bis 8 gegenüber der Anordnung
nach F i g. 5 in relativ umgekehrter Richtung verbunden ist, so daß die unmodulierte
Polfolge der F i g. 1a durch die Reihenschaltung und die modulierte Polfolge der
F i g. 1c durch die Parallelschaltung erzeugt wird. Diese Anordnung benötigt ebenfalls
lediglich drei herausgeführte Leitungen je Phasenwicklung.
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In den F i g. 6a und 7a entsprechen die Teile der Phasenwicklungen
zwischen den Klemmen 11, 13 und 13, 12 den zwei Hälften der Phasenwicklung nach
F i g. 5. Die Phasenwicklungen 11'-13', 13'-12' und 11"-13", 13"-12" stellen die
entsprechenden Wicklungen der beiden anderen Phasen dar. Die Anordnungen nach F
i g. 6a und 7a stellen wechselweise Verbindungen der Phasenwicklungen derselben
Maschine dar. In beiden Schaltungen sind die Klemmen 12, 12' und 12" dauernd miteinander
verbunden. In F i g. 6a sind die Klemmen 11, 11' und 11" verbunden, und die Klemmen
13, 13' und 13" sind an die drei Phasen angeschlossen. In F i g. 7a sind die Klemmen
11, 11' und ff' an die drei Phasen angeschlossen, während die Klemmen 13, 13' und
13" unverbunden bleiben. Die Verbindungen ergeben acht Pole in der Parallel-Stern-
(unmodulierten) Schaltung nach F i g. 6 a und zehn Pole in der Serien-Stern- (modulierten)
Schaltung nach F i g. 7a. Die entsprechenden Geschwindigkeiten stehen daher in dem
umgekehrten Verhältnis 5: 4.
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In F i g. 8a und 9a entsprechen die Teile der Phasenwicklungen zwischen
den Klemmen 11, 13 und den Klemmen 13, 12 den zwei Hälften der Phasenwicklung der
F i g. 5. Die Phasenwicklungen 11'-13', 13'-12' und 11"-13", 13"-12" stellen die
Wicklungen für die beiden anderen Phasen dar.
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Die F i g. 8a und 9a geben die Verbindungen der Phasenwicklungen einer
zweiten Maschine an. In beiden Figuren sind die Klemmen 12", 11; 12, 11' und 12',
1IV' paarweise dauernd miteinander verbunden. In der F i g. 8a sind die Klemmenpaare
12", 11; 12, 11' und 12', 11" sämtlich miteinander verbunden, während die Klemmen
13, 13' und 13" an die drei Phasen angeschlossen sind. In F i g. 9a sind dagegen
die Klemmenpaare 12", 11; 12, 11' und 12', 11" an die drei Phasen des Dreiphasennetzes
angeschlossen. Die Verbindungen ergeben acht Pole in der Parallel-Stern-(unmodulierten)
Schaltung und zehn Pole in der Serien-Dreieck- (modulierten) Schaltung.
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Durch Umkehrung des ursprünglichen Sinnes der Pole 6 bis 8 relativ
zu der Anordnung nach F i g. 5 kann die modulierte Schaltung durch die Parallel-Stern-Verbindung
und die unmodulierte Schaltung durch die Serien-Dreieck-Verbindung hergestellt werden.
Wie aus den F i g. 6 a, 7a, 8 a und 9 a zu entnehmen ist, sind
insgesamt sechs herausgeführte Leitungen nötig. Die Umschaltung von Parallel-Stern
zu Serien-Stern oder Parallel-Stern zu Serien-Dreieck ist bei im Verhältnis 2:
1 polumschaltbaren Motoren bekannt.
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Nun wird der Fall der Polunterdrückung betrachtet. F i g. 2a
stellt die Verteilung der magnetomotorischen Durchflutung einer Phase einer 8poligen
Dreiphasenmaschine dar, die in 48 Nuten mit zwei Spulen pro Gruppe gewickelt ist.
In der unmodulierten Schaltung nach F i g. 2a ist die Wicklung wie folgt
symbolisch darzustellen: +2 +2 +2 +2 +2 +2 +2 +2.
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Wenn diese Verteilung durch den Operator nach F i g. 2b moduliert
wird, der die Umkehrung einer Hälfte der Phasenwicklung relativ zur anderen Hälfte,
verbunden mit der Unterdrückung der Pole4 und 5,
bewirkt, erhält die modulierte
Phasenwicklung die .nachfolgende, in F i g. 2c gezeigte Verteilung: +2 +2
+2 0 -2 -2 -2 0.
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In F i g. 10 ist eine Phasenwicklung gezeigt, die in einer
Verbindung die Verteilung der magnetomotorischen Durchflutung entsprechend F i
g. 2 a und in der anderen Verbindung die Verteilung der magnetomotorischen
Durchflutung nach F i g. 2c erzeugt. Wie in F i g. 5 sind die zwei
Spulen jeder Gruppe durch eine einzige Spule dargestellt. Drei aufeinanderfolgende
Spulen jeder Wicklungshälfte sind in jeweils wechselndem Richtungssinn verbunden,
und die Verbindung
der Spulen 3 und 5 ist an eine Klemme 13 geführt.
Von der Klemme 13 ausgehend, sind Spulen 4 und 8 im gleichen Sinn miteinander verbunden.
Das andere Ende der Spule 8 ist an eine weitere Klemme 14 geführt. Die Spulen 4
und 8 sind mit der halben Windungszahl gegenüber den Spulen, die zwischen den Klemmen
11, 13 und 13, 12 angeordnet sind, gewickelt, weisen jedoch einen doppelten Kupferquerschnitt
auf.
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In F i g. 10 sind die Verbindungen, die die Polarität in der modulierten
und unmodulierten Schaltung zeigen, und die Richtungen des Stromflusses in der Serien-
und in der Parallel-Schaltung dieselben wie für F i g. 5.
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In der unmodulierten Schaltung sind die Wicklungen der Pole 1, 2 und
3 und der Pole 5, 6 und 7 parallel geschaltet und liegen zwischen der Klemme 13
und den Klemmen 11 und 12. Die Klemme 14 ist an eine Phase angeschlossen, und die
Wicklungen der Pole 4 und 8 sind in Reihe zwischen die Klemmen 13 und 14 gelegt.
In der modulierten Schaltung sind die Wicklungen der Pole 1, 2 und 3 und der Pole
5, 6 und 7 in Reihe zwischen die Klemmen 11 und 12 gelegt. Die Wicklungen der Pole
4 und 8 sind nicht eingeschaltet.
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Auf Grund der Folge, in der die Spulen in F i g.10 gezeichnet sind,
und unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die Numerierung der Pole von einem
beliebigen Wert in aufsteigender Reihenfolge durchgeführt ist, kann die Phasenwicklung
ebensogut durch die folgende Darstellung gekennzeichnet werden: 0 +2 +2 +2 0 -2
-2 -2. Ob ein Pol an dem einen oder dem anderen Ende der Wicklungshälfte
unterdrückt wird, ist belanglos, sofern alle drei Phasenwicklungen gleich ausgeführt
sind.
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In den F i g. 11 a und 12 a entsprechen die Teile der Phasenwicklung
zwischen den Klemmen 11, 12, 13 und 14 der Wicklung gemäß F i g. 10. Die Phasenwicklungen
zwischen den Klemmen 11', 12', 13' und 14' und den Klemmen 11", 12", 13" und 14"
stellen die entsprechenden Wicklungen für die zwei anderen Phasen dar.
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Die Fig.11a und 12a stellen die Schaltungen der Phasenwicklungen einer
dritten Maschine dar. In beiden Figuren sind die Klemmen 12, 12' und 12" fest miteinander
verbunden. In F i g. 11 a sind die Klemmen 11, 11' und 11" miteinander verbunden,
und die Klemmen 14, 14' und 14" sind an je eine Phase angeschlossen. In der F i
g. 12a sind die Klemmen 11, 11' und lt' an je eine Phase des Dreiphasennetzes angeschlossen,
und die Klemmen 14, 14' und U" sind nicht verbunden.
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Die Verbindungen liefern acht Pole in der Parallel-Stern- (unmodulierten)
Schaltung nach F i g. 11a und zehn Pole in der Serien-Stern- (modulierten) Schaltung
nach F i g. 12a.
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In den F i g. 13 a und 14a entsprechen die Phasenwicklungen zwischen
den Klemmen 11, 12, 13 und 14 der Polwicklung der F i g. 10. Die Phasenwicklungen
zwischen den Klemmen 11', 12', 13' und 14' und den Klemmen 11", 12", 13" und 14"
stellen entsprechende Windungen für die anderen beiden Phasen dar.
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Die F i g. 13 a und 14 a stellen die Schaltungen der Phasenwicklung
einer vierten Maschine dar. Ia beiden Figuren sind die Klemmen 12", 11; 12, 11'
und U', ff' paarweise dauernd miteinander verbunden. In F i g. 13a sind die Klemmenpaare
12", 11; 12, 11' und 12', 11" sämtlich miteinander verbunden. Die Kleinmen 14, 14'
und 14" sind je an eine der Phasen des Dreiphasennetzes angeschlossen. In F i g.
14a sind die Klemmenpaare 12", 11, 12, 11' und 12', 11" j4 an eine der Phasen des
Dreiphasennetzes angeschlossen. Die Verbindungen stellen eine 8polige Maschine in
der Parallel-Stern- (unmodulierten) Schaltung und eine 10polige Maschine in der
Serien-Dreieck- (modulierten) Schaltung dar.
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Bei der Phasenwicklung nach F i g. 10 müssen drei Anschlußleitungen
nach außen geführt werden, um die benötigten Umschaltungen vorzunehmen. Bei den
Schaltungen nach den F i g. 11 a und 12 a und den F i g. 13 a und 14 a sind sechs
Leitungen für die drei Phasenwicklungen jeder Maschine erforderlich. Getrennte Sternmittelpunkte
11, 11', lt' und 12,12', 12" in der Maschine nach den F i g. 13a und 14a können
durch die Benutzung von neun-Leitungen für die drei Phasenwicklungen hergestellt
werden.
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Wenn es erwünscht ist, Parallelverbindungen für die modulierte Schaltung
und Serienverbindungen für die unmodulierte Schaltung zu haben, müssen die Spulen
4 und 8 mit getrennten Klemmen verbunden werden, so daß eine zusätzliche
Klemme und eine zusätzliche Anschlußleitung für eine einzelne Phasenwicklung benötigt
wird. Damit sind neun Leitungen für die drei Phasenwicklungen erforderlich.
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Eine andere Möglichkeit zur Polunterdrückung als durch Abschaltung
ausgewählter Spulen stellt einä magnetische Neutralisation der Pole durch entgegen-;
gesetzt verbundene Spulen dar. Diese Methode hat jedoch den Nachteil, daß mehr Leistung
verbraucht und demzufolge auch mehr Wärme erzeugt wird.
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Es ist anzustreben, daß die resultierende Verteilung der magnetomotorischen
Durchflutung einem Sinusgesetz so nahe wie möglich kommt. Eine Amplitudenverteilung,
die sich dieser Anordnung nähert, wird durch die Reduzierung der Amplitude der ersten
und letzten Spulengruppen jeder Hälfte der Phasenwicklung erreicht. Je nach der
gewählten Spulen, anordnung wird dies durch die Auslassung einer oder mehrerer Spulen
einer Spulengruppe erreicht-und zwar entweder in der modulierten Schaltung oder
in der unmodulierten oder sowohl in der modulierten als auch in der unmodulierten
Schaltung.
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Die ausgelassenen Spulen sind Spulen der Spulengruppe, die an einem
Ende der Phasenwicklung oder die nahe dem Mittelpunkt der Phasenwicklung angeordnet
ist.
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In dem Fall der Phasenwicklung, die zwei Spulen pro Gruppe aufweist,
wird eine Spulenanordnung erreicht, die darstellbar ist durch: +0/1 +2 +2 +1/0
-0/1 -2 -2 -1/0,
wobei 0 die Auslassung einer Spule bedeutet.
Diese Art der Polamplitudenmodulation ist schematisch in F i g. 3 gezeigt.
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F i g. 3 a stellt die Verteilung der magnetomatorischeu Durchflutung
und den resultierenden Fluß einer Phase einer 8poligen Dreiphasenwicklung dar..
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F i g. 3 b zeigt in gestrichelter Linie eine idealisierte sinusförmige
Polamplitudenmodulierkurve und in voll ausgezogener Linie die Annäherung an die
sinusförmige Wellenform durch Umschaltung der Spulen, einer Wicklungshälfte und
Auslassung einer Spule der Spulengruppen an den Enden jeder Hälfte der Phasenwicklung.
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F i g. 3 c zeigt die resultierende Verteilung, die durch die
Anwendung des Operators nach F i g. 3 b
auf die 8polige Verteilung
nach F i g. 3a erhalten wird. In F i g. 15 sind Polwicklungen gezeigt, die in der
unmodulierten Schaltung eine Verteilung der magnetomotorischen Durchflutung nach
F i g. 3 a zeigen und die in der modulierten Schaltung eine Verteilung der magnetomotorischen
Durchflutung nach F i g. 3 c zeigen. In der F i g. 15 sind im Unterschied zu den
F i g. 5 und 10 die zwei Spulen jed6r Gruppe getrennt gezeichnet, da die zwei Spulen
nicht zusammen verbunden sind. Eine Spule der Gruppe 1, beide Spulen der Gruppen
2 und 3 und eine Spule der Gruppe 4 sind in Reihe zwischen die Klemmen 11
und 13 geschaltet, wobei sich die Richtung von Gruppe zu Gruppe umkehrt. Ähnlich
sind eine Spule der Gruppe5, beide Spulen der Gruppen 6 und 7 und eine Spule der
Gruppe 8 hintereinandergeschaltet und an die Klemmen 13 und 12 geführt, wobei ebenfalls
der Wicklungssinn von Gruppe zu Gruppe wechselt. Die übrigen Spulen, nämlich je
eine von den Gruppen 1, 4, 5 und 8, sind in Serie zwischen die Klemmen 13 und 14
gelegt, und zwar in derselben Richtung wie die erste Spule der dazugehörigen Gruppe.
In der ' unmodulierten Schaltung sind die Wicklungen zwischen den Klemmen 13, 11
und 13, 12 parallel verbunden, und diese Parallelverbindung ist in Serie mit den
Wicklungen zwischen den Klemmen 13 und 14 gelegt. In der modulierten Schaltung sind
die Wicklungen zwischen den Klemmen 11, 13 und zwischen den Klemmen 13, 12 in Serie
gelegt, und die Wicklungen zwischen den Klemmen 13 und 14 sind nicht eingeschaltet.
Die Richtung des Stromflusses ist in der modulierten Schaltung durch die Pfeile
A und in der unmodulierten Schaltung durch die Pfeile B angegeben. Die resultierende
Polarität in der modulierten Schaltung ist durch die obere Reihe der Buchstaben
N und S und die Polarität der unmodulierten Schaltung ist durch die
untere Reihe dieser Buchstaben gezeigt. Die gestrichelt geschriebenen Buchstaben
stellen Pole mit halber Magnetisierung dar.
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Die drei Phasenwicklungen, von denen jede nach F i g. 15 ausgeführt
ist, können in Sternschaltung oder in Dreieckschaltung verbunden werden. Wenn die
Sternschaltung benutzt wird, sind die Klemmen 12, 12' und 12" der drei Phasenwicklungen
dauernd zusammen verbunden, wie in den F i g. 11a und 12 a gezeigt ist. F i g. 11a
zeigt die Parallel-Stern-Schaltung, die für die unmodulierte Schaltung benutzt wird,
und F i g. 12a die Serien-Stern-Schaltung, die die modulierte Schaltung ergibt.
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Wenn eine Dreieckschaltung benutzt wird, werden die Klemmen 12", 11;
12, 11' und 12', W' paarweise dauernd miteinander verbunden, wie es in den F i g.
13a und 14a gezeigt ist. F i g. 13a zeigt die Parallel-Stem-Schaltung, die für die
unmodulierte Schaltung benutzt wird, und F i g. 14a die Serien-Dreieck-Schaltung,
die für die modulierte Schaltung benutzt wird.
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Die Verbindungen ergeben wieder acht Pole in der Parallel-(unmodulierten)
Schaltung nach F i g. 11 a oder 13a und zehn Pole in der Serien- (modulierten) Schaltung
nach F i g. 12a oder 14a.
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Eine Vereinfachung der in F i g. 15 gezeigten Phasenwicklung ist dadurch
möglich, daß die in der modulierten Schaltung abgeschalteten Spulen auch in der
unmodulierten Schaltung nicht benutzt werden. Es sind dann alle Phasenwicklungen
mit einer nicht gleichmäßigen Verteilung der Spulengruppen gewickelt, und jede Phasenwicklung
besteht nur aus zwei Teilen.
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F i g. 4 zeigt eine solche Art der Polamplitudenmodulation. F i g.
4a zeigt die Verteilung der magnetomotorischen Durchflutung einer 8poligen Phasenwicklung,
in der die Pole 1, 4, 5 und 8 jeweils durch eine einzige Spule und die Pole 2, 3,
6 und 7 ' jeweils durch eine Gruppe von zwei Spulen gebildet sind.
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F i g. 4 b zeigt den Polamplitudenmodulationsoperator, angewendet
auf die Verteilung der magnetomotorischen Durchflutung nach F i g. 4a. Dieser Operator
ist derselbe wie nach F i g. 1 b und stellt die Umkehrung einer Hälfte der Phasenwicklung
dar. F i g. 4c zeigt die resultierende Verteilung der magnetomotorischen Durchflutung,
die durch die Anwendung des Operators nach F i g. 4b auf die Verteilung der magnetomotorischen
Durchflutung nach F i g. 4a erreicht wird.
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In F i g. 16 ist ein Polwicklungsdiagramm einer Phase einer Dreiphasenmaschine
gezeigt, die eine 8polige Wicklung in einem Gehäuse mit 36 Nuten besitzt.
Die Pole 1, 4, 5 und 8 bestehen je aus einer Spule, und die übrigen Pole 2,
3, 6 und 7 besitzen je zwei Spulen. Diese Phasenwicklung kann wie
folgt dargestellt werden: +1 +2 +2 +1 +l +2 +2 +1. Alle Spulen sind gleich.
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In der Phasenwicklung nach F i g. 16 sind die Spule des Pols
1, die zwei Spulen des Pols 2, die zwei Spulen des Pols 3 und die
Spule des Pols 4 in Serie zwischen den Klemmen 11 und 13 verbunden.
Ähnlich sind die Spule des Pols 5, die zwei Spulen des Pols 6, die
zwei Spulen des Pols 7 und die Spule des Pols 8 in Serie zwischen
den Klemmen 13 und 12 verbunden. In der unmodulierten Schaltung sind die
Polwicklungen zwischen den Klemmen 13,
11 und den Klemmen
13, 12 parallel verbunden. In der modulierten Verbindung sind die zwei Hälften
der Phasenwicklungen in Serie zwischen den Klemmen 11 und 12 verbunden. Die
Stromrichtung in der modulierten Schaltung ist durch die Pfeile A
ge-
zeigt, während die Stromrichtung in der unmodulierten Schaltung durch die
Pfeile B gezeigt ist. Die resultierende Polarität in der modulierten Schaltung ist
durch die obere Reihe der Buchstaben N
und S dargestellt, während die
resultierende Polarität der unmodulierten Schaltung durch die untere Reihe der Buchstaben
N und S dargestellt ist. Auch hier stellen die gestrichelt geschriebenen
Buchstaben Pole mit halber Magnetisierung dar.
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In der modullerten Schaltung kann die Phasenwicklung wie folgt dargestellt
werden: +1 +2 +2 +1 -1 -2 -2 -1.
Es ist daraus zu ersehen, daß
die Polwicklung gemäß F i g. 16 eine Verteilung der magnetomotorischen Durchflutung
nach F i g. 4a in der unmodulierten Schaltung und eine Verteilung nach F
i g. 4c in der modulierten Schaltung erzeugt.
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Die drei Phasenwicklungen, von denen jede nach F i
g. 16 ausgeführt
ist, können in Sternschaltung oder in Dreieckschaltung verbunden werden. Für die
Sternschaltung bleiben die entsprechenden Klemmen 12, 12' und 12" dauernd miteinander
und mit dem Sternmittelpunkt, wie in F i
g. 6 a und
7 a gezeigt, verbunden.
F i
g. 6 a zeigt die Parallel-Stern-
Schaltung, die für die
unmodulierte Schaltung benutzt wird, und Fig.7a zeigt die Serien-Stern-Schaltung,
die für die modulierte Schaltung verwendet wird. Falls die Dreieckschaltung benutzt
wird, werden die Klemmen 12", 11; 12, 11' und 12', W' paarweise dauernd miteinander
verbunden, wie in den F i g. 8 a und 9 a gezeigt. Die F i g. 8 a zeigt die Parallel-Stern-Schaltung,
die für die unmodulierte Schaltung benutzt wird, und die F i g. 9 a zeigt die Serien-Dreieck-Schaltung,
die für die modulierte Schaltung benutzt wird.
Die Verbindungen ergeben wieder acht Pole in der Parallel- (unmodulierten) Schaltung
nach F i g. 6a oder 8a und zehn Pole in der Serien- (modulierten) Schaltung nach
F i
g. 7 a oder
9 a.
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In der folgenden Tabelle ist für eine Anzahl ausgewählter Ausführungsbeispiele
von im Verhältnis 8: 10 umschaltbaren Motoren der harmonische Anteil der
anderen Polzahlen, der Wicklungsfaktor bei jeder wirksamen Polzahl und das Verhältnis
der Flußdichte für die gewählten Beispiele angegeben.
Bemerkung
zur Tabelle: (1) Eine ganzzahlige Vervielfachung der Nutenzahl ohne Änderung der
Spulenanordnung oder der Modulationsmethode bewirkt nur Änderungen zweiter Ordnung.
Zum Beispiel ist das 26polige Feld für 48 Nuten 7,5% und für 72 Nuten 6,8%. Durchschnittliche
Werte sind für diese Fälle gegeben; die Differenzen sind praktisch vernachlässigbar.
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(2) Für die Wicklungen nach Type (a) bis (d) ist die unmodulierte
Wicklung eine gewöhnliche 8polige Wicklung, die daher keine Harmonischen in der
magnetomotorischen Durchflutung enthält, die niedriger als die 5. Harmonische von
acht Polen ist, d. h. = 40 Pole (M - 20).
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(3) Für Wicklungen nach Type (e) bis (g) ist die gesamte Wicklung
bei beiden Geschwindigkeiten benutzt, und alle Spulen sind gleich. Die unmodulierte
Wicklung ist eine 8polige Bruchlochwicklung mit unregelmäßiger Spulengruppenverteilung
und enthält daher zusätzliche geradzahlige Harmonische der magnetomotorischen Durchflutung,
insbesondere ein 4poliges Feld.
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Die Wicklungsfaktoren für zehn Pole sind unter Bezug auf die gesamte
Zahl der Leiter errechnet. Für die Wicklungen nach Typen (a) bis (d) sind die Wicklungsfaktoren
der Leiter, die tatsächlich im Stromkreis liegen, höher.
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(5) Für Wicklungen der Typen (a) bis (d) sind die #k 1 Ä-Verbindungen
die einzigen, die benötigt werden, da das Flußdichteverhältnis B8/B10 auf diese
Weise nahezu 1 ist.