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Wicklungsanordnung für eine mehrphasige elektrische Maschine mit einem
ganzzahligen Verhältnis der Ständernutenzahl zu dem Produkt aus Pol- und Phasenzahl
Die Erfindung besieht sich auf eine Wicklungsanordnung für eine mehrpha3ige elektrische
Maschine mit einem ganzzahligen Verhältnis der StGi:ndernuten2ahl zu dem Produkt
aus Pol- und Phasenzahl, bei der die den Polen zugeordneten Spulengruppen aus konzentrischen
Spulen bestehen.
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Bei mehrphasigen elektrischen Maschinen, insbesondere Drehstrominduktionsmotoren,
wird die Wicklung so angeordnet, daß durch sie eine räumlich sinusfbrmige magnetmotorische
Kraft erzeugt wird, wobei gleichzeitig für' einen elektrischen Ausgleich hinsichtlich
des Blind- und Wirkleist'ungswiderstandes über die Phasenstränge gesorgt ist. Dies
wird vielfach unter gewisser Verminderung der Motorleistung durch die Anwendung
einer überlappten Wicklung angestrebt, die im wesentlichen von Hand gefertigt werden
muß, wodurch sich die Herstellungskosten entsprechend verteuern. Bei Verwendung
von für die maschinelle Fertigung geeigneten konzentrischen Spulen besteht eine
Schwierigkeit darin, diese so anzuordnen, daß der elektrische Ausgleich über die
Phasenstränge der Wicklung erreicht wird.
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Bei Motoren mit einer einzigen Polspule und bei Motoren mit einer
der halben Ständernutenzahl entsprechenden Anzahl von Spulen läßt sich bei Verwendung
dünnen Drahtes zwar die Wirtschaftlichkeit verbessern, jedoch treten in der magnetinotorischen
Kraft starke Harmonische auf und die Nu-ten des Ständers können vielfach nicht voll
ausgenutzt werden. Dadurch wird die Leistungsfähigkeit des Motors und sein Wirkungsgrad
beeinträchtigt, der darüber hinaus durch den bei Verwendung von dünnem Draht im
allgemeinen höheren elektrischen Widerstand noch mehr verschlechtert w;krd
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfacher und billiger herzustellende
Wicklungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der ein elektrischer
und magnetischer Ausgleich über die Phasenstränge ohne räumliche Harmonische erreichbar
ist, und bei der alle Ständernuten voll ausgenutzt sind.
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Nach der Erfindung gelingt die Lösung der gestellten Aufgabe dadurch,
daß die Zahl von konzentrischen Spulen mit unterschiedlichen Windungszahlen um eins
kleiner ist als das mindestens die Zahl drei betragende Verhältnis der Ständernutenzahl
zum Produkt aus Pol- und Phasenzahl, daß die Spulenseiten der äußersten Spule oder
Spulengruppe für sich eine Ständernut belegen und daß die Spulenseiten der inneren
Spulen von benachbarten Polen einer anderen Phase zugeordneten Spulengruppen gemeinsam
die Nut oder Nuten belegen, die der von der äußersten Spule belegten Nut benachbart
ist bzw. sind, bei solcher Bemessung der unterschiedzeichen Windungszahlen der einzelnen
Spulen der Spulengruppen9 daß alle Ständernuten die gleiche Anzahl von Leitern enthalten.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich eine besonders
einfache Wicklungsanordnung für eine dreiphasige Ständerwicklung dadurch, daß der
Ständer achtundvierzig Nuten aufielst, daß die Spulengruppen vier Pole pro Phase
bilden mit drei pulsen je Gruppe und daß die Windungszahlen der Spulen im Verhältnis
53 : 35 : 18 stehen.
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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten AusfÜhrungsbeispiels wird
der Gegenstand der Erfindung näher erläutert. Es zeigt: wig. 1 ein Wlekelschema
nach der Erfindung, PiT. 2 in einem Diagramm die Wcklungskosten für zwei verschiedene
Motoren, den Wickelfaktor und die Windungszahlen der ein zelnen Spulen jeweils in
Äbhängigkeit von dem Windungszahlenverhältnis der ersten zur äußersten Spule, f.
3 eine Reihenschaltung der konzentrischen Spulen, Fig. 4 und 5 die Anoranung der
Spulenseiten in den Ständernuten.
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Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Ständer 50 weist achtundvierzig
Nuten auf, die durch strichpunktierte Linien 1 bis 48 angedeutet sind. In diese
Nuten sind die mit a bis d bezeichneten Spulenseiten der vier Spulen T1 bis T4 eingelegt.
Die Spulen T1 bisT4 bilden die sich überlappenden Spulengruppen Al bis A4, B1 bis
B4 und Cl bis C4. Jede Spulengruppe bildet einen magnetischen Pol in dem Ständer
50. Die beiden Spulenseiten einer Spule sind jeweils mit den gleichen Buchstaben
bezeichnet. So sind z.B. die beiden -Seiten der äußersten Spule 1 der Spulengruppe
A7 mit a und die beiden Seiten der innersten Spule T4 mit d bezeichnet. Die vier
konzentrischen Spulen T1 bis T4 sind nach der in Fig. 3 dargestellten Art und Weise
in Reihe geschaltet., Die einzelnen Spulengruppen können untereinander mit abwechselnder
Polarität in Reihe oder parallel geschaltet und mit einer dreiphasigen Stromquelle
verbunden werden.
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Die konzentrischen Spulen Ti bis T4 werden in der nachfolgend beschriebenen
Art und Weise in die Nuten 1 bis 48 des Ständers 50 eingelegt. Die Spulenweite der
äußersten konzentrischen Spule Tl jeder Spulengruppe A7 bis C4 ist so bemessen,
daß sie elf Ständernuten umspannt. Dies ergibt sich aus der Formel S : P - 1, worin
S die Anzahl der Ständernuten 1md P Y Anzahl der Pole bedeutet. Dementsprechend
sind bei der Spulengruppe Al die Seiten a der äußersten Spule T1 in die Nuten 1
bzw. 12 des Ständers 50 eingelegt. Konzentrisch zu der äußersten Spule Ti sind die
inneren Spulen T2 und T3 angeordnet, die mit ihren Spulenseiten b und c in den Nuten
2 bzw. 1i und den Nuten 3 bzw. 10 des Ständers liegen.
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Die innerste Spule T4 liegt mit ihren Spulenseiten d in den Nuten
4 bzw. 9. Die Spule T4 ist lediglich zum Zwecke der Veranschaulichung der Erfindung
dargestellt. Sie wird bei der tatsächlichen Ausführung der Wicklung weggelassen,
um eine Kostensenkung für die Wicklung zu erreichen.
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Aus dem Wickelschema nach Fig. 1 ist zu ersehen, daß die Spulenseiten
der konzentrischen Spulen der Spulengruppe einer ersten Phase die Nuten in dem Ständer
50 gemeinsam mit den Spulenseiten einer benachbarten Spulengruppe einer anderen
Phase belegen. Die Spulengruppe B1 belegt z.B. mit ihren linken Spulenseiten a bis
d
die Nuten Sbis 8 zusammen mit den rechten Spulenseiten d bis a
der Spulengruppe C1. In gleicher Weise belegen die rechten Spulenseiten d bis a
der Spulengruppe B1 die Nuten 13 bis 16 zusammen mit den linken Spulenseiten a bis
d der Spulengruppe A2. Dieses Schema erstreckt sich.konsequent über den ganzen Ständer,
so daß die äußersten und innersten Spulenseiten a bzw. d von benachbarten Polen
verschiedener Phasen jeweils gleiche Nuten belegen und die beiden inneren Spulenseiten
b und c von benachbarten Polen verschiedener Phasen ebenfalls gleiche aber andere
Nuten belegen.
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Aus Fig. 4 und 5 geht hervor, daß die Spulenseiten in der Ober-und
Unterschicht in der umgekehrten Reihenfolge angeordnet sind.
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Die Spulenseiten der Spulen von verschiedenen Phasen zugeordneten
Spulengruppen sind gemäß Fig. 4 und 5 gemeinsam in die Nuten eingelegt. In beiden
Fällen belegen die Spulenseiten der äußersten und innersten Spule jeweils gleiche
Nuten. Desgleichen belegen die Spulenseiten der inneren Spulen gleiche aber andere
Nuten.
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Untersuchungen haben gezeigt, daß die Wicklungskosten eine Funktion
des Windungszahlenverhältnisses der innersten zu der äußersten Spule sind. Die Kosten
sind ein Minimum, wenn das genannte Verhältnis Null ist, d.h. wenn die innerste
Spule entfällt. Die Abhängigkeit der Wicklungskosten von dem Windungszahlenverhältnis
der innersten zur äußersten Spule ist in Fig. 2 durch die Kurven 52 und 53 graphisch
dargestellt. Die Kurve 52 wurde für einen Motor mit einem 20 cm starken Ständerblechpaket
und die Kurve 53 für einen Motor mit einem 7,5 cm starken Blechpaket ermittelt.
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Der Wickelfaktor für die vorbeschriebene Ständerwicklung ist durch
die Kurve 54 der Fig. 2 dargestellt. Bekanntlich werden die niedrigsten Wicklungskosten
erzielt, wenn man die kürzestmögliche Wicklung mit dem höchsten Wickelfaktor hat.
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Im unteren Teil der Fig, 2 ist ein auf die Motoreinheit bezogener
Windungsfaktor für jede der vier konzentrischen Spulen T1 bis T4 über dem Verhältnis
der Windungszahlen der innersten Spule T4 zur äußersten Spule T1 aufgetragen. Wie
bereits erwähnt' sind die
Wicklungskosten ein Minimum, wenn die
Windungszahl der innersten Spule T4 gleich Null ist. An der Ordinate der graphischen
Darstellung können die Windungszahlen der Spulen T1 bis T4 abgelesen werden.
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Wie aus Fig. 1, 4 und 5 hervorgeht, belegen nach dem Weglassen der
innersten Spule T4 die Spulenseiten der äußersten Spulen T1 allein die betreffenden
Nuten, wogegen die Spulenseiten b und c der Spulen 22 und T3 gemeinsam die entsprechenden
Nuten belegen.
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Nach der in Fig. 2 dargestellten Windungsfaktorskale bestehen die
äußerste Spule T1 aus dreiundfünfzig Windungen und die inneren Spulen T2 und T3
aus fünfunddreissig bzw. achtzehn Windungen. Die von den inneren Spulen T2 und T3
belegten Nuten enthalten somit die Summe dieser Windungen, so daß in allen Nuten
die gleiche Leiteranzahl untergebracht ist.
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Wegen der gleichmäßigen Füllung aller Ständernuten trotz des Wegfalles
der vierten konzentrischen Spule T4, wodurch eine maximale Einsparung an Wicklungskosten
erreicht wird, treten keine negativen Auswirkungen auf den Wirkungsgrad der Maschine
ein. Wie das Ausführungsbeispiel zeigt, sind anstelle von vier konzentrischen Spulen
nur drei konzentrische Spulen pro Spulengruppe notwendig.
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Die Windungszahlen der Spulen hängen auch noch von anderen Faktoren,
wie Nutenabmessungen und Drahtquerschnitt, ab. Durch die Wicklungsanordnung nach
der Erfindung kann z.B. bei einem Motor, für den üblicherweise ca. 3 kg Kupfer erforderlich
sind, etwa 1 kg Kupfer eingespart werden. Wie Fig. 1 zeigt, sind die Spulengruppen
Al bis C4 gleichmäßig über den Ständer 50 verteilt, um eine räumlich sinusförmige
magnetmotorische Kraft zu erzeugen.
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In Fig. 2 ist eine Windungsfaktorskala angegeben, die die Windungszahlen
der einzelnen Spulen zum Erzielen einer gleichen Füllung der Ständernuten beim Weglassen
der innersten Spule T4 angibt. Dabei ist der Ständer voll ausgenutzt und ein Ausgleich
des Blin- und Wirkwiderstandes über die Phasenstränge erreicht.
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Die verbleibenden Spulen T1 bis T3 sind zueinander konzentrisch angeordnet
und für jede Phase und jeden Pol gleich, so daß sie sich leicht mit einfacheren
Wickel- und Einlegemaschinen wickeln und einlegen lassen.