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Mehrphas entransformator
Die Erfindung bezieht sich auf einen Mehrphasentransformator mit einer zur Speisung aus einem
Mehrphasensystem eingerichteten Primärwicklung, die in den Nuten eines Primärkernes untergebracht ist, und mit einer Sekundärwicklung in den Nuten eines Sekundärkernes, wobei die Nuten beider Kerne im wesentlichen parallel verlaufen und die letzteren relativ gegeneinander bewegbar sind.
Die Erfindung bezweckt vor allem die Schaffung einer Transformatoranordnung, deren Sekundärwick- lung zur Abgabe einer die Zahl der Phasen des speisenden Mehrphasensystems übertreffenden Anzahl von
Spannungen oder Strömen eingerichtet ist, die hinsichtlich ihrer Grösse oder Phasenlage voneinander ab- weichen, wobei aber die Phasendifferenzen oder das Verhältnis der Spannungen zwischen jedem Paar von benachbarten Ausgangen in gleichem Mass anderbar sind.
Dieses Ziel lasst sich erreichen, wenn erfindungsgemäss die Phasenlage des Stromes oder die Spannung in einer zweiten Nut des Primärkernes in bezug auf die Phasenlage des Stromes oder die Spannung in einer ersten Nut desselben Kernes dem Logarithmus des Abstandes der zweiten von der ersten Nut pro- portional ist, wobei diese Gesetzmässigkeit der Phase des Stromes auf die Weise aufgeprägt wird, dass der räumliche Abstand der zweiten Nut von der ersten proportional dem Logarithmus der Nutennummer festgelegt und in jeder Nut die gleiche Anzahl von Leitern verlegt ist oder die Nuten gleichmässig ausgeteilt und in einigen Nuten von verschiedenen Phasen des Mehrphasensystems gespeiste Leiter verlegt sind oder diese Gesetzmässigkeit auf die Spannungen aufgeprägt wird, u. zw.
dadurch, dass die Nuten gleichmässig ausgeteilt sind und in jeder eine dem Logarithmus der Nutennummer proportionale Anzahl von Leitern untergebracht ist, die von einer Phase gespeist sind, dass der zugeordnete, mit der Sekundärwicklung versehene Sekundärkern entsprechend der Ausbildung des Primärkemes jeweils entsprechend mit logarithmisch oder gleichförmig ausgeteilten Nuten versehen ist und seine Wicklung eine die Zahl der Phasen des Mehrphasensystems übertreffende Anzahl von Anschlüssen aufweist, und dass zur Änderung der Phasendifferenz oder der Spannung zwischen benachbarten Anschlüssen in dem gleichen Verhältnis einer der beidengenuteten Körper gegenüber dem andern in einer zu den Nuten im wesentlichen senkrechten Richtung verstellbar ist.
Die Sekundärwicklung kann als Stabwicklung mit je einem Stab pro Nut ausgebildet sein, bei welcher die einen Stabenden miteinander verbunden und die andern zu Anschlüssen geführt sind. Die Sekundarwicklung kann aber auch je Nut eine ringförmig gewickelte Spule aufweisen, wobei die einen Enden der Spulen miteinander verbunden und die andern zu Anschlüssen geführt sind. Zwei oder mehrere der Stäbe oder Spulen können miteinander verbunden und zu einem Anschluss geführt sein. Schliesslich ist es auch möglich, auf den betreffenden Kernen zwei Primär-und zwei Sekundärwicklungen einander gegen- überstehen anzuordnen.
Die Erfindung ist im folgenden an beispielsweisen Ausführungsformen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind.
In dieser zeigt Fig. 1 in etwas schematisierter Darstellung einen üblichen Kurzschlussläufermotor, Fig. 2 die aufgerollte Ständer-und Läuferwicklung, Fig. 3 eine andere Form der Läuferwicklung, Fig. 4 eine weitere Form der Läuferwicklung, Fig. 5 die erfindungsgemässe, ungleichförmige Anordnung der Nuten des Primär- oder des Sekundärwicklungskernes des Transformators, Fig. 6 die Primär- und die Se-
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kundärwicklung eines erfindungsgemässen Transformators, Fig. 7 eine Alternative zu der Anordnung nach Fig. 6, Fig. 8 den mit der erfindungsgemässen Transformatoranordnung erzielbaren Veränderungseffekt, Fig. 9 eine andere Form der Primärwicklung des Transformators, Fig.
10 eine weitere Anordnung der Primär- und der Sekundärwicklung des Transformators, Fig. HA, 1lob, 11C ein praktisches Wicklungsschema für die Primärwicklung des Transformators und schliesslich veranschaulichen die Fig. 12A - 12G verschiedene Ausführungsformen des Transformators.
In vielen Figuren sind gleiche Teile dargestellt, die mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
Die Erfindung wird am besten an Hand der prinzipiellen Arbeitsweise eines Kurzschlussläufermotors der in Fig. 1 gezeigten Art verständlich. Der Ständer 10 der dort gezeigten Maschine ist mit einer Anzahl Nuten 11 zur Aufnahme von Spulen 12 versehen. Der Läufer 13 weist ebenfalls Nuten auf, in denen je ein einziger Stab 14 aus leitendem Material untergebracht ist. Die Stäbe sind an beiden Enden mit Endringen miteinander verbunden, die ebenfalls aus leitendem Material bestehen und von denen einer, 16, dargestellt ist. Der Läufer sitzt auf einer drehbar gelagerten Welle 15.
Bekanntlich erzeugt die Ständerwicklung bei Speisung durch eine mehrphasige Stromquelle ein umlaufendes Magnetfeld, das in den Läuferstäben Ströme erzeugt, so dass ein zweites Magnetfeld hervorgerufen wird, welches wegen seiner Wechselwirkung mit dem ersten Magnetfeld eine Drehung des Läufers bewirkt.
Wenn der in Fig. 1 gezeigte'Motor längs der strichlierten Linie AA-BB aufgeschnitten und in eine Ebene abgewickelt wird und die Abwicklungen der Läufer- und der Ständerwicklung so auseinandergeklappt werden, dass die vorderen Stirnkanten einander zugekehrt sind, ergibt sich die in Fig. 2A bzw. 2B gezeigte Darstellung. Dabei entsprechen die Buchstaben A und B denselben Buchstaben in Fig. 1. In dieser abgewickelten Form erzeugt die Ständerwicklung ein Magnetwanderfeld, das sich mit der Geschwindigkeit Vs = 2 pf bewegt, wobei p die Polteilung der Wicklung und f die Speisefrequenz ist. Die Speisung der Ständerwicklung bewirkt die Erzeugung von Wechselströmen in den Leitern der Nuten, wobei die Phase der Ströme von links nach rechts fortschreitend zunimmt.
Die Phasendifferenz zwischen den Strömen in
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wobei die Phasen für jede zehnte Nut relativ zu der Phase am linken Rand angedeutet sind. Die Nuten sind mit den Nummern von 10 bis 89 versehen. Man erkennt, dass die Phase von einer Nut zur nächsten um 180 zunimmt. Mit dieser Wicklung ist die Kurzschlusswicklung des Läufers fest gekoppelt und ihre Stäbe führen einen Strom, der dem ihnen zugekehrten Element des Ständerstromes entgegengesetzt ist.
Bei stillstehendem Laufer genügen sehr kleine Unterschiede zwischen dem Ständer-und dem Läuferstrom zur Erzeugung des Magnetfeldes. Diese Unterschiede können zunächst vernachlässigt werden. Die Phasen der Läuferstabströme sind daher fast gleich gross, wie die Phasen der Ströme in den zugeordneten Elemen- ten des Ständers.
Fig. 3 zeigt eine der Fig. 2 ähnliche Anordnung des Läufers, wobei jedoch ein Endring der Läuferwicklung entfernt worden ist. Jetzt können in dem Läufer keine Ströme fliessen, sondern in den Läuferstäben entstehen elektromotorische Kräfte, deren Phase, ausgehend vom linken Rand der Zeichnung, von links nach rechts fortschreitend zunimmt.
Fig. 4 zeigt eine weitere Möglichkeit der Läuferausbildung, bei der die Läuferstäbe durch Ringspulen ersetzt worden sind, die den Eisenkörper des Läufers umgeben. Dabei ist nur jede zehnte Ringspule gezeigt. Die elektromotorischen Kräfte zwischen den Enden dieser Spulen zeigen wieder eine von links nach rechts fortschreitende Phasenänderung.
Es versteht sich, dass die Ständer- bzw. die Läuferwicklung als Primär-bzw. Sekundärwicklung eines Transformators angesehen werden können und dass bei Abnahme eines der Endringe und Anordnung von Aussenanschlüssen an den Läuferstäben oder im Falle der Fig. 4 an den Ringspülen, bei Speisung der Ständerwicklung ein Strom in den Aussenstromkreisen fliesst, wenn Ständer und Läufer in Ruhe gehalten werden. Daher werden in der nachstehenden Beschreibung nicht die Ausdrücke Ständer und Läufer, sondern die Ausdrücke Primär- bzw. Sekundärkern eines Transformators verwendet.
Die vorstehende Betrachtung betraf den Fall, in dem die Nuten des Primärkernes und die Stäbe oder Ringspulen auf dem Sekundärkern des Transformators gleichmässige Abstände voneinander haben.
Von den in Fig. 5-8 dargestellten Ausführungsformen der Erfindung zeigt Fig. 5 eine ungleichförmige Austeilung der Nuten für die Primär- oder Sekundärwicklung des Transformators, wobei der Abstand einer Nut von dem linken Rand beispielsweise dem Wert logez proportional und x, die Nutnummer, vom linken Ende her gezählt ist. In diesem Fall nehmen die Abstände zwischen benachbarten Nuten von links nach rechts ab und die Austeilung der Nuten entspricht tatsächlich den Markierungen der unteren Skala eines Rechenschiebers.
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Wenn die Gesamtzahl dur nutten wieder 80 beträgt, können sie entsprechend den Nuten der Fig. 2 und 3 mit den Nummern 10 - 89 versehen werden. Bei Verwendung von zwei derartigen Kernen wird der eine, der Primärkern 100, genau so gewickelt, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Der zweite oder Sekundärkern 101 wird gemäss den Fig. 2 und 3 mit einem Satz von Stäben versehen und gegenüber dem Primärkörper ausgerichtet, wie Fig. 6 schematisch zeigt. Wenn diese beiden Abwicklungen jetzt durch Umklappen miteinander gekoppelt werden, liegen die einzelnen Stäbe in Fig. 6 denselben stromführenden Elementen gegenüber wie in Fig. 2 und 3.
Daher führen sie Ströme von gleicher Phase, wie in den in diesen Figuren veranschaulichten Wicklungen, wenn der zweite Endring angebracht ist, oder erzeugen elektromotorische Kräfte gleicher Phase, wenn der Endring wie dargestellt, nicht angebracht ist. In dieser Figur war es nicht möglich, alle Nuten zu zeichnen. Es sind nur die ersten 30 Nuten vollständig dargestellt, dann nur jede zehnte Nut. Die Stellen 0, 1800, 3600 sind jedoch dargestellt und es ist ebenso wie in Fig. 2 die entsprechende Nutnummer angegeben. Die Wicklungsanschlusse sind mit 102 bezeichnet.
Fig. 7 zeigt dieselbe Konstruktion wie Fig. 6, wobei jedoch ein Teil der Primärwicklung weggelassen ist. Daher bleiben einige der Stäbe des Sekundärkernes stromlos, während die Phasenzunahme pro Stab in dem stromdurchflossenen Teil wieder 18 beträgt. Es versteht sich, dass ein Teil entweder des Primärkernes oder des Sekundärkernes unbewickelt bleiben muss, um im Falle einer zylindrischen Maschine zu verhindern, dass bei einer Relativbewegung zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung ein Ende der Sekundärwicklung durch Primärspulen mit ungeeigneter Polteilung beeinflusst wird.
Der Transformator nach Fig. 8 zeigt den gleichen Aufbau, wobei der Primärkem des Transformators gegenüber dem Sekundärkern des Transformators so versetzt ist, dass die Nut 10 des Primärkernes der Nut 20 des Sekundarkernes gegenüberliegt. Infolge der logarithmischen Anordnung liegt daher die Nut 20 des Primärkernes der Nut 40 des Sekundärkernes, die Nut 30 der Nut 60 gegenüber usw. In jedem Bereich von 1800 des stromdurchflossenen Teiles der Anordnung liegen somit zwanzig Nuten des Sekundärkernes zehn Nuten des Primärkernes gegenüber. Die Phasendifferenzen zwischen einander benachbarten Stäben des Sekundärkernes sind untereinander gleich, betragen jetzt aber 90 anstatt 18 .
Wenn der Primärem des Transformators weiter nach rechts bewegt wird, nimmt die Phasendifferenz zwischen einander benachbarten Staben des Sekundärkernes ab, wogegen sie bei einer Bewegung nach links zunimmt. Bei dieser Anordnung ergeben also die stromdurchflossenen Stäbe einen mehrphasigen Ausgang, in dem der Phasenwinkel eine Funktion der Relativstellung zwischen dem Primär-und dem Sekundärkern ist. Diese Anordnung stellt einen neuen Transformatorentyp dar. Die Primärseite wird mit eine} feststehenden Anzahl von Phasen im allgemeinen mit drei gespeist, die einen bestimmten Phasenabstand, 120 bei einem Dreiphasensystem voneinander haben, wogegen die Sekundärseite Ströme eines Mehrphasensystems abgeben kann, in dem der Phasenwinkel zwischen aufeinanderfolgenden Strangspannungen einstellbar ist.
Die Erfindung wurde vorstehend an Hand einer nichtlinearen Austeilung der Nuten in dem Primärund dem Sekundärkern beschrieben, die den Transformator bilden. Ma kann aber auch mit einer äquidistanten Austeilung auskommen, wenn eine genügende Anzahl von Nuten vorhanden ist. Es ist nur notwendig, dass die Verteilung der Transformatorwicklungen einem annähernd logarithmischen Schema entspricht. Eine derartige Verteilung kann erzielt werden, wenn man ein Wicklungsschema anwendet, das beim Fortschreiten der Wicklung von links nach rechts eine abnehmende Anzahl von Nuten pro Pol vorsieht. Ein derartiges Schema ist in Fig. 9 angedeutet, in der gezeigt ist, wie eine Phase einer wellenförmig angeordneten, nicht verteilten Wicklung in Nuten angeordnet werden kann, die in gleichmässigen Abständen vorgesehen sind.
Die Fig. 11A, 11B und 11C zeigen ein anderes und bevorzugtes Wicklungsschema. In diesem Fall wird die logarithmische Verteilung durch Mischen der Phasen der Stromquelle in den Nuten erzielt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine achtpolige Primärwicklung mit 54 in gleichen Abständen angeordneten Nuten vorgesehen. Es ergibt sich eine gute Annäherung an den richtigen Effektivstrom in jeder Nut, bei Aufrechterhaltung der gleichen Gesamtwindungszahl für jede Spule. Insgesamt sind 22 Spulen vorgesehen. Die in den Kreisen dargestellten Ziffern in den Nuten geben die Spulennummern und die Zahlen ohne Kreis die Anzahl der Leiter der in der Nut untergebrachten Spule an. So hat die erste Spule 32 Windungen und wird von der Phase R der Stromquelle gespeist. Diese Spule ist in die erste und vierte Nut verlegt, wenn von der rechten Seite der Zeichnung gezählt wird.
Die siebzehnte Spule hat ebenfalls 32 Windungen und wird von der Phase B gespeist, ist aber auf die Nuten 22,23 und 24 mit 4, 18 bzw. 10 Windungen und auf die Nuten 28,29 und 30 mit 6,10 bzw. 16 Windungen aufgeteilt.
Vorstehend wurde der erfindungsgemässe Transformator im Hinblick auf die mit seiner Hilfe ermöglichte Veränderung der Phasen beschrieben. Er kann jedoch auch als Transformator mit regelbarem Übersetzungsverhältnis ausgebildet werden. Fig. 10 zeigt eine Folge von Wicklungen, die, wie in Fig. 2, eine
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