DE2735191C2 - Rotating frequency quadruple - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen umlaufenden Frequenz-Vervierfacher nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solcher ist aus der DE-AS 10 91 220 bekannt.The invention relates to a rotating frequency quadruple according to the preamble of Claim 1. One such is known from DE-AS 10 91 220.

Bei den bekannten Frequenz-Vervierfachern weisen alle Läuferpole zu den Ständerpolen gleiche und gleichmäßige Luftspaltbreiten auf. Es sind zwei stark ausgeprägte S-Läuferpole vorhanden, von denen jeder einen ebenso großen Zentriwinkel aufweist wie der einzige N-Läuferpol. Der bekannte Frequenz-Vervierfacher weist den Nachteil auf, daß die Amplitude des magnetischen Flusses, speziell die der Grundwelle, nicht so ausreichend groß gemacht werden kann. Mit wachsender Belastung der Maschinen verdreht sich die Polradachse gegenüber der Flußachse, was ein Abnehmen der Amplitude der 4. Harmonischen der Flußwelle zur Folge hat. Der von dem einzigen N-Läuferpol hervorgerufene Fluß muß der gleiche sein wie insgesamt derjenige, der in den zwei S-Läuferpolen endet. Die magnetische Flußdichte im Luftspalt des einzigen N-Läuferpols ist wegen der gleichen Zentriwinkel doppelt so groß wie die in den beiden S-Läuferpolen. Dies bedeutet, daß die magnetische Zugkraft am N-PoI viermal so groß ist wie an einem der S-PoIe. Es ergibt sich hierdurch ein Ungleichgewicht der an der Läuferachse angreifenden Kräfte der Größe 2F In the known frequency quadruples, all rotor poles have the same and uniform air gap widths with respect to the stator poles. There are two strongly pronounced S rotor poles, each of which has a central angle that is just as large as the single N rotor pole. The known frequency quadrupler has the disadvantage that the amplitude of the magnetic flux, especially that of the fundamental wave, cannot be made sufficiently large. As the load on the machines increases, the pole wheel axis rotates relative to the flux axis, which results in a decrease in the amplitude of the 4th harmonic of the flux wave. The flux produced by the single N rotor pole must be the same as the total of that which ends in the two S rotor poles. The magnetic flux density in the air gap of the single N rotor pole is twice as large as that in the two S rotor poles because of the same central angle. This means that the magnetic pulling force on the N-PoI is four times as great as on one of the S-PoIe. This results in an imbalance in the forces of size 2F acting on the rotor axis

(2-cosj), wobei ρ der Zentriwinkel zwischen den beiden *"(2-cosj), where ρ is the central angle between the two * "

S-Läuferpolen und F eine Krafteinheit ist. Mit einem Zentriwinkel ρ von 90°, wie bei der bekannten M aschine verwirklicht, ist die am N-Polspalt herrschende Kraft etwa 2,586mal so groß wie die entgegengesetzt gerichtete Resultierende aus den an den beiden S-Polspalten herrschenden Kräften. Dies läßt die Maschine sehr unruhig laufen. Als weiterer Nachteil ist festzustellen, daß, wenn die Flußdichte auf der N-Polseite in das Eisen voll ausnutzender Weise gewählt ist, das Eisen auf den S-Polseiten nur zur Hälfte ausgenutzt wird. Die Maschine wird dadurch unnötig groß und somit unwirtschaftlich.S rotor poles and F is a unit of force. With a central angle ρ of 90 °, as implemented in the known machine, the force prevailing at the N pole gap is about 2.586 times as great as the oppositely directed resultant from the forces prevailing at the two S pole gaps. This makes the machine run very unevenly. A further disadvantage is that if the flux density on the N-pole side is selected to be fully exploitable in the iron, only half of the iron on the S-pole sides is used. This makes the machine unnecessarily large and therefore uneconomical.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Frequenz-Vervierfacher der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die Ausbildung der Grundwelle und der 4. Harmonischen des magnetischen Flusses verstärkt und eine von magnetischen Kräften hervorgerufene Unwucht an der Läuferachse weitestgehend vermieden wird.The invention is based on the object of providing a frequency quadrupler of the type mentioned at the outset to design that the formation of the fundamental wave and the 4th harmonic of the magnetic flux intensified and an imbalance on the rotor axis caused by magnetic forces as far as possible is avoided.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. This object is achieved by the characterizing features of claim 1 and further developments of the invention are the subject of the subclaims.

Bei dem erfindungsgemäßen Frequenz-Vervierfacher haben die Luftspalte an den Polen einen ungleichmäßigen Verlauf der Weiten. Dies ist an sich bei Frequenz-Vervielfachern bereits bekannt. So zeigt die DE-PS 4 94 439 Frequenz-Verdreifacher, bei denen die Läuferpole eine Einsattelung bzw. eine konvexe Gestalt aufweisen, um die Ergebnisse bei der Frequenz-Verdreifachung zu beeinflussen. Die AT-PS 1 06 924 zeigt eine vergleichbare Anordnung mit Polschuhen, die eine Einsattelung aufweisen bzw. bei denen ein eingesattelter Polschuh durch zwei benachbarte konvexe, gleichartig erregte Polschuhe ersetzt ist. All diesen Lösungen ist gemeinsam, daß die ungleichnamigen Pole stets gleiche Gestalt aufweisen. Diese Lösungen lassen sich bereits nicht ohne weiteres auf einen Frequenz-Vervierfacher übertragen, da hier geradzahlige Harmonische der Grundwelle des Flusses erzeugt werden müssen.In the case of the frequency quadrupler according to the invention, the air gaps at the poles are uneven Course of the expanses. This is already known per se in the case of frequency multipliers. So shows the DE-PS 4 94 439 frequency tripler, where the The rotor poles have a depression or a convex shape, in order to achieve the results when the frequency is tripled to influence. The AT-PS 1 06 924 shows a comparable arrangement with pole pieces, the one Have saddle or in which a saddle-saddle pole shoe by two adjacent convex, similar excited pole pieces are replaced. All these solutions have in common that the opposite poles are always the same Have shape. These solutions cannot easily be reduced to a frequency quadruple because even harmonics of the fundamental wave of the river have to be generated here.

Daher sind bei dem erfindungsgemäßen Frequenz-Vervierfacher die ungleichnamigen Pole ungleich ausgeführt. Zusätzlich ist zwischen ungleichmäßigen Polen ein kleiner Hilfspol angeordnet, dessen Aufgabe es ist, zusätzlich zur Erregung der Wechselspannung in der 4. Harmonischen ein Ungleichgewicht der in den Luftspalten wirksamen magnetischen Kräfte aufgrund der asymmetrischen Gestalt des Poles zur Erzeugung der magnetischen Querachse auszugleichen. Die Anordnung eines Hilfspoles ist zwar ebenfalls bereits aus der AT-PS 1 06 924 an sich bekannt. Er liegt dort aber zwischen gleichnamigen Teilpolen eines Poles, und zwar im Gegensatz zu der Anordnung nach der Erfindung symmetrisch zwischen den Teilpolen, um die Ausbildung von Oberwellen zu begünstigen.Therefore, in the case of the frequency quadrupler according to the invention, the unlike poles are unequal executed. In addition, a small auxiliary pole is arranged between uneven poles it is, in addition to exciting the alternating voltage in the 4th harmonic, an imbalance in the Air gaps generate effective magnetic forces due to the asymmetrical shape of the pole to compensate for the magnetic transverse axis. The arrangement of an auxiliary pole is also already from the AT-PS 1 06 924 known per se. But there it lies between the poles of a pole of the same name, namely in contrast to the arrangement according to the invention symmetrically between the partial poles to the training to favor harmonics.

Den Einfluß der Hilfspole auf den Unwuchtausgleich beim erfindungsgemäßen Frequenz-Vervierfacher soll die nachfolgende Tabelle veranschaulichen.The influence of the auxiliary poles on the unbalance compensation in the frequency quadruple according to the invention should the table below illustrate.

Spannung Kraft- Axiale
4facher Unwucht Kernlänge
FrequenzTension force-axial
4 times the imbalance core length
frequency

ohne Hilfspole
mit Hilfspolenwithout auxiliary poles
with auxiliary poles

95%
100%95%
100%

552%
100%552%
100%

103%
100%103%
100%

Mit Kraftunwucht ist hierbei gemeint, daß noch ein gewisses Ungleichgewicht der magnetischen, auf die Läuferwelle wirkenden Kräfte vorhanden ist. DieWith force imbalance is meant here that there is still a certain imbalance of the magnetic, on the Forces acting on the rotor shaft are present. the

Angabe 552% zeigt, wie stark unwuchtig die magnetischen Kräfte bei Fehlen von Hilfspolen sind
An praktischen Versuchsbeispielen wurden folgende Werte, jeweils im
Maschine gemessen:Specification 552% shows how unbalanced the magnetic forces are in the absence of auxiliary poles
The following values, each im
Machine measured:

belastungsfreien Zustand derunencumbered state of the

Zugkraft am konvexen Po!Tensile force on convex bottom!

Zugkraft am konkaven PolPulling force on the concave pole UnwuchtImbalance

Unwucht : LäufergewichtImbalance: Runner weight

ohne Hilfspole
mit Hilfspolenwithout auxiliary poles
with auxiliary poles

515 kp
427 kp515 kp
427 kp

431 kp 413 kp 84 kp
14 kp431 kp 413 kp 84 kp
14 kp

6.0
1.06.0
1.0

Die Tabelle zeigt zugleich einen weiteren Effekt der Erfindung. Wenn die Läuferpolgestalt so wie bei der eingangs genannten bekannten Maschine gewählt wird, dann wird die Unwucht der magnetischen Kräfte noch größenThe table also shows a further effect of the invention. If the rotor pole shape is like the If the known machine mentioned at the outset is selected, then the unbalance of the magnetic forces will still be sizes

Die Erfindung soll nachfolgend untc Bezugnahme auf in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:The invention is intended below with reference to the exemplary embodiments shown in the drawings are explained in more detail. Show it:

F i g. 3 und 2 Schnitte durch einen Frequenz-Vervierfacher, in welchen F i g. 1 nur eine obere Hälfte und Fig.2 einen Schnitt längs der Linie U-II von Fig. 1 darstellen;F i g. 3 and 2 cuts through a frequency quadruple, in which fig. 1 only an upper half and FIG. 2 a section along the line U-II of FIG. 1 represent;

Fig.3 eine Abwicklung längs des Luftspaltes des Frequenz-Vervierfachers von F i g. 2 in einem Zustand, bei dem das Zentrum eines Läuferpoles mit der magnetomotorischen Kraftachse der Primärwicklung übereinstimmt;3 shows a development along the air gap of the Frequency quadruple of FIG. 2 in a state in which the center of a rotor pole with the magnetomotive force axis of the primary winding coincides;

F i g. 4 eine Abwicklung längs des Luftspaltes mit den praktischen Gegebenheiten besser gerechtwerdenden Bedingungen;F i g. 4 shows a development along the air gap with the practical conditions better suited to conditions;

F i g. 5 eine Ausführungsform der Erfindung;F i g. Fig. 5 shows an embodiment of the invention;

Fig.6 eine Abwicklung längs des Luftspaltes der Ausführungsform nach F i g. 5, und6 shows a development along the air gap of the Embodiment according to FIG. 5, and

F i g. 7 die Lageabweichung des Läufers, wenn eine Last an die Sekundärwicklung des Frequenz-Vervierfachers angeschlossen wird.F i g. 7 the positional deviation of the rotor when a load is applied to the secondary winding of the frequency quadruple is connected.

Anhand der F i g. 1 bis 4, in denen Teilmerkmale der Erfindung dargestellt sind, sollen zunächst einige grundsätzliche Erläuterungen gegeben werden.Based on the F i g. 1 to 4, in which partial features of the invention are shown, should first be a few basic explanations are given.

F i g. 1 zeigt einen Schnitt längs der Welle eines Frequenz-Vervierfachers. Nur die obere Hälfte des Schnittes ist aus Vereinfachungsgründen dargestellt. Der Frequenz-Vervierfacher besteht aus einem Ständer und einem Läufer, wie bei wechselstromerregten Synchronmaschinen üblich. Ein Läuferkern 4 ist auf einer Welle 6 befestigt, die von Lagern 7 freilaufend gelagert wird. Der Läuferkern 4 ist mit Dämpfungswicklungen 5 versehen.F i g. Figure 1 shows a section along the shaft of a frequency quadrupler. Only the top half of the Section is shown for the sake of simplicity. The frequency quadruple consists of a stand and a rotor, as is customary in AC synchronous machines. A rotor core 4 is open attached to a shaft 6 which is supported by bearings 7 so that it runs freely. The rotor core 4 has damping windings 5 provided.

Der Ständer 1 hat nahezu die gleiche Gestalt wie der eines üblichen Synchronmotors. Der Unterschied liegt jedoch darin, daß der Ständer 1 gemäß der vorliegenden Erfindung zwei Wicklungen 2 und 3 trägt. Diese zwei Wicklungen 2 und 3 sind so ausgebildet, daß sie verschiedene Polzahlen haben, die sich im Verhältnis 1 :4 unterscheiden. Die Wicklung mit der geringeren Polzahl wird als Primärwicklung bezeichnet. Im spezieilen Ausführungsbeispiel ist die Wicklung 2 die Primärwicklung und hat zwei Pole. Die andere Wicklung mit der größeren Polzahl wird mit Sekundärwicklung bezeichnet. Im vorliegenden Fall hat die Wicklung 3 acht Pole.The stator 1 has almost the same shape as that of a conventional synchronous motor. The difference is however, in that the stator 1 carries two windings 2 and 3 according to the present invention. These two Windings 2 and 3 are designed so that they have different numbers of poles, which are in relation 1: 4 differentiate. The winding with the lower number of poles is called the primary winding. in the In a special embodiment, winding 2 is the primary winding and has two poles. The other Winding with the larger number of poles is called secondary winding. In the present case, the Winding 3 eight poles.

Im Schnittbild nach F i g. 2 ist mit λ das Verhältnis der b5 Länge des Polbogens gegenüber der Polteilung des Läuferkerns 4 bezeichnet. Mit β ist das Verhältnis der Länge desjenigen Abschnitts des Polbogens in bezug auf die Polteilung des Läuferkerns 4 bezeichnet, welcher mit dem Ständerkern den engeren Luftspalt bildetIn the sectional view according to FIG. 2, the ratio of the length b5 of the pole arc to the pole pitch of the rotor core 4 is denoted by λ. With β the ratio of the length of that section of the pole arc is referred to in relation to the pole pitch of the rotor core 4, which forms the narrower air gap with the stator core

Der Ständerkern 1 ist mit mehreren Nuten 8 versehen, in welche die Primärwicklung 2 und die Sekundärwicklung 3 eingelegt sind. In der Zeichnung ist nur eine der Nuten 8 dargestelltThe stator core 1 is provided with several slots 8, in which the primary winding 2 and the Secondary winding 3 are inserted. In the drawing is only one of the grooves 8 is shown

Der Läuferkern 4 weist genauso viele Pole auf wie die Primärwicklung 2. Bei der Maschine, die in Fig.2 dargestellt ist, hat der Läuferkern 4 zwei Pole. Der Pol, der in F i g. 2 oben dargestellt ist, wird als konvexer Pol bezeichnet und weist einen Luftspalt auf, welcher in der Mitte enger ist als an seinen Randbereichen. Der Pol, der in F i g. 2 unten dargestellt ist wird als konkaver Pol bezeichnet und weist in seinem Mittenbereich einen weiteren Luftspalt zum Ständer auf als an seinen Randbereichen.The rotor core 4 has as many poles as that Primary winding 2. In the machine shown in FIG. 2, the rotor core 4 has two poles. The pole, the in F i g. 2 shown above, is referred to as a convex pole and has an air gap, which in the Center is narrower than at its edge areas. The pole shown in FIG. 2 shown below is called a concave pole and has a wider air gap to the stator than his in its central area Edge areas.

Der Läuferkern 4 ist mit Schlitzen 9 versehen, um den magnetischen Widerstand im magnetischen Querweg zu vergrößern. Die Welle 6 des Läufers besteht aus unmagnetischem Material, um den magnetischen Widerstand im magnetischen Querweg zu vergrößern und um den Läufer magnetisch vom Ständer zu entkoppeln.The rotor core 4 is provided with slots 9 in order to reduce the magnetic resistance in the magnetic transverse path enlarge. The shaft 6 of the rotor consists of non-magnetic material to the magnetic To increase resistance in the magnetic transverse path and to magnetically move the rotor away from the stator decouple.

Es sei nun ein Zustand betrachtet in welchem die Primärwicklung 2 an eine mehrphasige Wechselstromquelle angeschlossen und von dieser erregt wird. Es sei angenommen, daß die Permeabilität des Eisens unendlich ist und daß der ganze Läuferkern 4 in magnetischer Hinsicht equipotential wird.Let us now consider a state in which the primary winding 2 is connected to a polyphase alternating current source connected and excited by this. Assume that the permeability of iron is infinite is and that the entire rotor core 4 is equipotential in magnetic terms.

Bei einem normalen wechselstromerregten Synchronmotor wird das magnetische Potential des Läuferkerns 4 auf Null gehalten. Bei dem Frequenzvervierfacher gemäß F i g. 2 ist die Form des Luftspaltes am konvexen Pol jedoch verschieden von der am konkaven Pol. Daher ist der magnetische Widerstand an den beiden Polen unterschiedlich. Dementsprechend sind auch die Amperewindungen, die in den Luftspalten verbraucht werden, an den beiden Polen unterschiedlich. Die Wicklung ist jedoch gleichförmig aufgebracht, so daß an den beiden Luftspalten gleiche magnetische Spannungen herrschen. Als Folge davon bekommt der Läufer ein bestimmtes magnetisches Potential. Dieses magnetische Potential wird mit ξ ausgedrückt.In a normal AC synchronous motor, the magnetic potential of the rotor core 4 is kept at zero. In the case of the frequency quadruple according to FIG. 2 the shape of the air gap at the convex pole is different from that at the concave pole. Therefore the magnetic resistance at the two poles is different. Accordingly, the ampere turns that are consumed in the air gaps are also different at the two poles. However, the winding is applied uniformly, so that the same magnetic tensions prevail at the two air gaps. As a result, the runner gets a certain magnetic potential. This magnetic potential is expressed as ξ.

Wenn man den Streufluß vernachläßigt, dann ist die Flußdichte im Luftspalt porportional der Amperewindungszahl, die auf den Luftspalt einwirkt, und umgekehrt proportional zur Länge des Luftspaltes.If one neglects the leakage flux, then the flux density in the air gap is proportional to the number of ampere turns, which acts on the air gap, and inversely proportional to the length of the air gap.

F i g. 3 zeigt eine Abwicklung der Luftspaltverhältnisse nach F i g. 2. Aus ihr geht die Gestalt der Pole des Läuferkerns 4 und das Verhältnis des Verlaufs der magnetischen Spannung 10 der Primärwicklung und des in den Lulftspalten erzeugten Flusses 11 hervor. F i g. 3 zeigt die Position des Läufers, bei welcher die Mitte des Läuferpols 4 mit der Mitte der magnetischen Spannung in der Primärwicklung 2 zusammenfällt.F i g. 3 shows a development of the air gap conditions according to FIG. 2. From it comes the shape of the poles of Rotor core 4 and the ratio of the course of the magnetic voltage 10 of the primary winding and the in the air column generated river 11 emerges. F i g. 3 shows the position of the runner at which the center of the The rotor pole 4 coincides with the center of the magnetic voltage in the primary winding 2.

Es sei angenommen, die magnetische Spannung der Primärwicklung sei A. Dann ist die an jedem Punkt des konvexen Poles verbrauchte AmperewindungszahlAssume that the magnetic voltage of the primary winding is A. Then that at each point of the convex pole consumed ampere-turns

— Λ ■ sin Θ + |,- Λ ■ sin Θ + |,

worin Θ der auf den Punkt Null in F i g. 3 bezogene Winkel ist.
Die Amperewindungen, die im Luftspalt des konkaven Poles verbraucht werden, sind:where Θ the point zero in F i g. 3 related angles.
The ampere turns consumed in the air gap of the concave pole are:

^Sln *' ^Sln * '

Wenn man den Fluß am konvexen Pol pro Längeneinheit des Kerns in axialer Richtung mit Φ« und den des konkaven Poles mit Φ/. und den inneren Durchmesser des Ständers mit D bezeichnet, dann erhält man den folgenden Zusammenhang, wobei der engere Luftspalt mit δ und der breitere Luftspalt mit fo+e^bezeichnetsind:If the flux at the convex pole per unit length of the core in the axial direction is Φ «and that of the concave pole with Φ /. and the inner diameter of the stator is denoted by D , then the following relationship is obtained, where the narrower air gap is denoted by δ and the wider air gap by fo + e ^:

.7 + ^(1 -II) η .7 + ^ (1 -II) η

.. = ±JLo Γ .. = ± JLo Γ

"1OJ"1OJ

δ +εδ + ε

1010

A sind + j A are + j

άθάθ

4 π I AD f . α π ■ β π \ . ID , _Ο\ 4 π I AD f. α π ■ β π \. ID, _Ο \

⁼ Ίο" |ΤΤ7 (^sm "Γ -^sin 2) ⁺ ΰδΤΪ ^(α-^{β) π =} Ίο "| ΤΤ7 ( ^sm " Γ - ^sin 2) ⁺ ΰδΤΪ ^(α - ^{β) π}

δ 2 2<5 δ 2 2 <5

γ(1 -α+β) Π γ (1 -α + β) Π

10 . J10. J

1010

(I - α)Ή (I - α) Ή

j (I -β+/I) λj (I-β + / I) λ

. 1. 1

Wenn Φ_Η gleich <P_L sein soll, dann kann man aus den obigen Gleichungen ζ wie folgt gewinnen:If Φ _{Η should be} equal to <P _L , then one can derive from the above equations ζ as follows:

Die obige Gleichung zeigt, daß der Läufer ein bestimmtes magnetisches Potential aufweist, so daß es notwendig ist, ihn mit Ausnahme am Luftspalt vom Ständer magnetisch zu isolieren.The above equation shows that the rotor has a certain magnetic potential, so that it it is necessary to magnetically isolate it from the stand, with the exception of the air gap.

Die rechte Seite der Gleichung wird durch Größenwerte bestimmt, die mit Ausnahme von A aus Fig 3 ersichtlich sind, so daß sich die Gleichung auch wie folgt umschreiben kann:The right-hand side of the equation is determined by size values which, with the exception of A, can be seen in FIG. 3, so that the equation can also be rewritten as follows:

„ ΐ_ " Ϊ́_

~Ä~ Ä

Hierin bedeutet K eine Konstante, die durch Werte wie et, β, δ, ε bestimmt wird. Im allgemeinen ergeben sich für K Werte zwischen 0,02 und 0,15. Dies bedeutet, daß das magnetische Potential des Läufers etwa 2% bis 15% der magnetischen Primärspannung beträgt.Here, K means a constant which is determined by values such as et, β, δ, ε . In general, values between 0.02 and 0.15 result for K. This means that the magnetic potential of the rotor is approximately 2% to 15% of the primary magnetic voltage.

Wie erwähnt, ist die Flußdichte im Luftspalt proportional zu den verbrauchten Amperewindungen und umgekehrt proportional zur Länge des Luftspaltes. Hieraus ergibt sich folgendes Verhältnis:As mentioned, the flux density in the air gap is proportional to the ampere-turns consumed and inversely proportional to the length of the air gap. This results in the following relationship:

nußdfchte =^sine-^Luftspaltlänge. nutfight = ^ sine- ^ air gap length.

1010

Der Fluß 11 im Luftspalt gemäß F i g. 3 ergibt sich aus der obigen Gleichung.The flow 11 in the air gap according to FIG. 3 results from the above equation.

Wenn man den Verlauf des Flusses im Luftspalt m eine Fourier-Reihe zerlegt, dann werden die Amplitude b\ der Grundwelle und die Amplitude a* der vierten Oberwelle durch folgende Gleichungen angegeben:If the course of the flux in the air gap m is broken down into a Fourier series, then the amplitude b \ of the fundamental wave and the amplitude a * of the fourth harmonic are given by the following equations:

10 π ο |_ 2 { 10 π ο | _ 2 {

U^sia U ^sia
{{

sinsin

-sin-sin

-JS) π + 2β -JS) π + 2β

4 /τ4 / τ 44th

⁺ ~ΪΟ~ ΊτΤίΤεΤ ΙΫ )^{(Sin an}~ ^sin ·^ ^* ^{+ sin} <^a -P> ^ ⁺2 (α -β)π ⁺ ~ ~ ΪΟ ΊτΤίΤεΤ ΙΫ) ^{(Sin on sin} ~ · ^ ^ * ^{+ sin <a} -P> ^ ⁺ 2 (α -β) π

. - „ I / . απ . β π + 2 K !( sin —— - sin —— . - "I /. απ. β π + 2 K ! (sin —— - sin ——

sin — (α -β) π sin - (α -β) π

Ύ^α-Ύ ^α -

sin —sin -

— sin — (a - β) π 1 . 5- sin - (a - β) π 1. 5

T^sinyT ^sin y

ξ !-sin 2jS,r + sin2 (<r-jS)/r I 1 - ±i ^- (-4— + A L· sin 2 α π ξ ! -sin 2jS, r + sin2 (<r-jS) / r I 1 - ± i ^ - (-4- + AL · sin 2 α π

Wenn man in die obigen Gleichungen die folgenden Werte einsetzt:Substituting the following values into the above equations:

α = 0,5, j3 = 0,25, (5 = 0,35, ε = 0,35,
dann ergeben sich für b\ und a₄ folgende Werte:α = 0.5, j3 = 0.25, (5 = 0.35, ε = 0.35,
then the following values result for b \ and a _4:

4, = 0,613 ^i
54, = 0.613 ^ i
5

- - o,;42 ± - - o,; 42 ±

<5<5

3030th

3535

4040

Die obigen Gleichungen verdeutlichen, daß die Grundwelle des Flusses eine Amplitude aufweist, die 61,3% einer Amplitude der Flußwelle entspricht, wenn der Luftspalt gleichförmig also der Läufer zylindrisch wäre und eine Weite von ö hätte. Die vierte Oberwelle hätte eine Amplitude, die 14,2% der der vorerwähnten Flußweile hätte.The above equations make it clear that the fundamental wave of the flux has an amplitude which corresponds to 61.3% of an amplitude of the flux wave if the air gap were uniform, i.e. the rotor were cylindrical and had a width of δ . The fourth harmonic would have an amplitude that was 14.2% of that of the aforementioned flow wave.

Wie oben erläutert, enthält die Flußwelle im Luftspalt in der Hauptsache nur die Grundwelle und die vierte Oberwelle. Da der Läuferkern 4 die gleiche Anzahl Pole hat wie die Primärwicklung 2, dreht sich der Läufer synchron mit der Grundfi equenz, d. h. der Frequenz der elektrischen Stromquelle. Die Sekundärwicklung 3 hat viermal soviel Pole wie die Primärwicklung 2, in ihr wird daher eine Spannung mit der vierfachen Frequenz induziertAs explained above, the flux wave contains in the air gap mainly only the fundamental and the fourth harmonic. Since the rotor core 4 has the same number of poles has like the primary winding 2, the rotor rotates synchronously with the Grundfi equenz, i. H. the frequency of the electric power source. The secondary winding 3 has four times as many poles as the primary winding 2 in it therefore induces a voltage with four times the frequency

Dies bedeutet, daß der Freⁿiienzwandler eine Ausgangsspannung liefern kann, deren Frequenz viermal so groß ist wie die der Versorgungsspannungsquelle, an welche seine Primärwicklung angeschlossen istThis means that the Fre ⁿ iienzwandler can provide an output voltage whose frequency is four times as large as that of the supply voltage source to which its primary winding is connected

In der vorangegangenen Erläuterung ist davon ausgegangen worden, daß die Werte von «, β, δ und ε an den beiden verschiedenen Polen einander jeweils gleich sind und daß der engere Luftspaltabschnitt des einen Pols genauso lang ist wie der weitere Luftspaltenabschnitt des anderen Pols. Die Leistung des Frequenzwandlers läßt sich jedoch noch steigern, wenn die Werte von Oi, β, δ und ε an den Polen verschieden sind und indem man den Luftspalten eine geeigneter verrundete Form gibt Darüber hinaus kann man die Anordnung so treffen, daß das magnetische Potential am Läuferkern 4 gleich Null wirdIn the preceding explanation it was assumed that the values of, β, δ and ε at the two different poles are equal to each other and that the narrower air gap section of one pole is just as long as the further air gap section of the other pole. The performance of the frequency converter can, however, be increased if the values of Oi, β, δ and ε at the poles are different and by giving the air gaps a suitable rounded shape Rotor core 4 becomes zero

5050

5555

6060

65 Fig.4 zeigt die Abwicklung eines Läufers mit der magnetischen Spannungswelle 10 in der Primärwicklung und der Welle für den Fluß 11 im Luftspalt. Die Zeichnung zeigt weiterhin die Flußgrundwelle 12, die vierte Harmonische 13 der Flußwelle und die Gleichkomponente 14, die in der Welle für den Fluß 11 enthalten ist. 65 Figure 4 shows the development of a rotor with the magnetic voltage wave 10 in the primary winding and the wave for the flux 11 in the air gap. The drawing also shows the fundamental flux wave 12, the fourth harmonic 13 of the flux wave and the constant component 14 which is contained in the wave for the flux 11.

Die Welle für den Fluß 11 wird bei dieser Ausführungsform weicher, verrundeter, weil die magnetischen Polflächen gegenüber dem zuvor erläuterten Beispiel verrundet sind. Die Werte von α, β, δ und ε sind für die beiden Pole in diesem Fall verschieden.The wave for the flux 11 is softer, more rounded in this embodiment, because the magnetic pole faces are rounded compared to the example explained above. The values of α, β, δ and ε are different for the two poles in this case.

Die Werte b\, a· und K, die für ein Ausführungsbeispiel eines Frequenz-Vervierfachers errechnet wurden, welcher eine Polgestaltung, wie in Fig.4 dargestellt, aufwies, waren:The values b \, a · and K, which were calculated for an exemplary embodiment of a frequency quadrupler, which had a pole configuration as shown in FIG. 4, were:

⁰⁴ " °'³⁵ δ ίο
ä: = o,O8 ⁰⁴ "° ^'35 δ ίο
ä: = o, O8

Aus diesen Werten läßt sich entnehmen, daß a« erheblich größer geworden ist als bei der Ausführungsform nach F i g. 2. Darüber hinaus muß noch beachtet werden, daß die anderen Harmonischen der FlußweHen, die nicht für die Frequenz-Vervierfachung benötigt werden, in diesem Fall erheblich geringere Amplituden als zuvor aufweisen. Diese Ausführungsform eines Frequenz-Vervierfachers bringt somit eine beachtliche Leistungssteigerung.From these values it can be seen that a «has become considerably larger than in the embodiment according to FIG. 2. In addition, it must be observed that the other harmonics of the river waves, which are not required for the frequency quadrupling, in this case considerably lower amplitudes than before. This embodiment of a frequency quadruple thus brings about a considerable Performance increase.

F i g. 5 zeigt die Läufergestalt mit sämtlichen bei der Erfindung verwirklichten Merkmalen. Bei ihr sind kleine, zusätzliche magnetische Pole Hilfspole imF i g. 5 shows the shape of the runner with all the features implemented in the invention. Are with her small, additional magnetic poles auxiliary poles in the

Abstand von weniger als ±τ π vom Zentrum desDistance less than ± τ π from the center of the

konvexen Poles angeordnet, um die Ausbildung der vierten Oberwelle noch mehr zu fördern. Diese kleinen zusätzlichen Pole sind in Fig.5 mit einer Schraffur versehen.convex pole arranged to form the fourth harmonic to promote even more. These small additional poles are hatched in Fig. 5 Mistake.

F i g. 6 zeigt die Abwicklung des Läufers nach F i g. 5 längs des Luftspaltes zusammen mit der Welle für dieF i g. 6 shows the development of the rotor according to FIG. 5 along the air gap together with the shaft for the

magnetische Spannung der Primärwicklung, der Welle 11 für den Fluß im Spalt, der Flußgrundwelle 12 und der vierten Harmonischen 13 sowie der Gleichkomponente 14, die in der Welle für den Fluß 11 enthalten sind.magnetic voltage of the primary winding, the shaft 11 for the flux in the gap, the flux fundamental wave 12 and the fourth harmonic 13 and the constant component 14, which are contained in the wave for the flow 11.

Bei dem Läufer nach F i g. 4 ist die Welle für den Fluß 11 im Luftspalt in der Mitte zwischen dem konvexen und dem konkaven Pol nahezu Null. Bei der Erfindung weist gemäß F i g. 6 die Welle für den Fluß 11 an jener Stelle jedoch einen gewissen, von Null verschiedenen Wert auf. Dieser ist in F i g. 6 durch eine Schraffur dargestellt. Bei der Erfindung bekommt bei gleicher Amplitude der Welle für den Fluß 11 im Luftspalt die vierte Harmonische, wie zuvor schon erwähnt, eine größere Amplitude als bei einer Ausführungsform ohne Läuferhilfspole. In the case of the runner according to FIG. 4 is the wave for the flux 11 in the air gap midway between the convex and the concave pole almost zero. In the invention, according to FIG. 6 the wave for the river 11 at that point however, has a certain non-zero value. This is shown in FIG. 6 represented by hatching. In the invention, with the same amplitude, the wave for the flow 11 in the air gap is given the fourth Harmonics, as already mentioned, have a greater amplitude than in an embodiment without auxiliary rotor poles.

Folgende Werte lassen sich in der Praxis mit einem Polprofil der obengenannten Art erreichen:The following values can be achieved in practice with a pole profile of the type mentioned above:

6, = 0,59 - —
δ 106, = 0.59 - -
δ 10

_fl4 = o,37 d ±JL ö 10 _fl4 = o, 37 d ± JL ö 10

K = 0,06 K = 0.06

Dies bedeutet, daß aus dem gleichen Ständer die vervierfachte Frequenz mit noch vergrößerter Leistung gegenüber Maschinen mit Läufern ohne Hilfspole entnommen werden kann.This means that from the same stand the quadrupled frequency with even greater power compared to machines with rotors without auxiliary poles.

Ein weiterer Vorteil der Hilfspole liegt darin, daß sie dazu beitragen, Vibrationen zu vermeiden, die sonst durch die Unwucht der magnetischen Zugkräfte im Luftspalt bei einer zweipoligen Maschine auftreten können. Die Anbringung von Hilfspolen ist daher besonders bei zweipoligen Maschinen von Vorteil.Another advantage of the auxiliary poles is that they help prevent vibrations that would otherwise occur due to the unbalance of the magnetic tensile forces in the air gap in a two-pole machine can. The attachment of auxiliary poles is therefore particularly advantageous for two-pole machines.

Aufgrund der unterschiedlichen Verläufe der Flußwellen unter den Polen bei einem Läufer ohne Hilfspole sind die magnetischen Zugkräfte an den beiden Polen verschieden. Der Läufer ist in bezug auf die längsgerichtete Magnetachse symmetrisch, so daß die magnetischen Zugkräfte einander ausgleichen. Er ist jedoch nicht in bezug auf die magnetische Querachse symmetrisch, so daß diese magnetischen Zugkräfte am Läufer nicht im Gleichgewicht stehen und am Läufer während der Drehung Vibrationen hervorrufen.Because of the different courses of the flux waves under the poles for a runner without auxiliary poles the magnetic tensile forces at the two poles are different. The runner is relative to the longitudinal Magnetic axis symmetrical, so that the magnetic tensile forces balance each other. However, he is not symmetrical with respect to the magnetic transverse axis, so that these magnetic tensile forces on The runner is not in equilibrium and causes the runner to vibrate while turning.

Der Läufer mit den Hilfspolen, der in den F i g. 5 und 6The runner with the auxiliary poles shown in FIGS. 5 and 6

dargestellt ist, setzt dieses Ungleichgewicht der magnetischen Zugkräfte durch eine geeignete Gestalt der zusätzlichen Pole herab. Diese Ausführungsart eignet sich daher für die Praxis besonders gut.is shown, this imbalance of the magnetic tensile forces is set by a suitable shape of the additional poles. This embodiment is therefore particularly suitable for practical use.

Es muß auf der Generatorseite beachtet werden, daß durch die Vorsehung der Hilfspole die Ankerrückwirkung leicht ansteigt und auch die Spannungsregulierung etwas schlecht wird.It must be noted on the generator side that the armature reaction is caused by the provision of auxiliary poles increases slightly and the voltage regulation is also a bit bad.

ίο In der vorangegangenen Beschreibung wurde von einem Zustand ausgegangen, bei dem die magnetische Spannungsachse der Primärwicklung mit der Mitte des Läuferpoles zusammenfällt. Dieser Zustand ist vorhanden, wenn der Frequenz-Vervierfacher völlig unbelastetίο In the previous description, assumed a state in which the magnetic voltage axis of the primary winding coincides with the center of the Runner pole coincides. This condition is present when the frequency quadruple is completely unloaded

ist. Liegt eine Belastung vor, dann entsteht ein bestimmter Verschiebungswinke! γ zwischen der Mitte des Läuferpoles und der magnetischen Spannungsachse der Primärwicklung, welcher von der Belastung abhängt. Dieser Verschiebungswinkel γ ist aus F i g. 7 ersichtlich. In dieser Figur ist nur eine Wicklung für eine Wicklungsachse der mehrphasigen Wicklungen dargestellt. is. If there is a load, then there is a certain displacement angle! γ between the center of the rotor pole and the magnetic stress axis of the primary winding, which depends on the load. This shift angle γ is from F i g. 7 can be seen. In this figure, only one winding is shown for one winding axis of the polyphase windings.

In einem solchen Lastfall kann die magnetische Spannung 10, die von der Primärwicklung 2 hervorgerufen wird, in zwei Komponenten zerlegt werden, und zwar in eine Komponente 15, die mit dem Zentrum des Läuferpoles zusammenfällt (mit Längsachs-Komponen-In such a load case, the magnetic voltage 10 caused by the primary winding 2 can will be broken down into two components, namely into a component 15, which is connected to the center of the Rotor poles coincide (with longitudinal axis component

te bezeichnet), und eine Komponente 16, welche um τπ te), and a component 16, which by τπ

gegenüber ersterer in der Phase verschoben ist (mit Querachs-Komponente bezeichnet). Die Flußwelle im Luftspalt, ihre Grundwelle und die vierte Harmonische, die von der magnetischen Spannung jeder Komponente erzeugt werden, müssen berücksichtigt werden.is shifted in phase compared to the former (referred to as the cross-axis component). The river wave in Air gap, its fundamental and the fourth harmonic produced by the magnetic tension of each component must be taken into account.

Die Luftspaltlänge der Querachse ist jedoch im Mittel länger als die der Längsachse und die zusätzlichen Pole sind schmaler als die anderen Pole und darüber hinaus ist der Läuferkern mit Schlitzen versehen, die den magnetischen Widerstand für den magnetischen Weg in Querrichtung vergrößern, so daß die Flußwelle im Luftspalt, d. h. ihre Grundwelle und die vierte Harmonische, die von der Querachs-Komponente 16 erzeugt wird, sehr klein im Verhältnis zu derjenigen ist, die von der Längsachs-Komponente erzeugt wird. In der Praxis ist es bei der Entscheidung über die Gestalt des Läuferpoles ausreichend, nur den Einfluß der Längsachs-Komponente zu berücksichtigen.However, the air gap length of the transverse axis is longer on average than that of the longitudinal axis and the additional poles are narrower than the other poles and, in addition, the rotor core is provided with slots that allow the Increase magnetic resistance for the magnetic path in the transverse direction, so that the flux wave in the Air gap, d. H. its fundamental wave and the fourth harmonic generated by the cross-axis component 16 is very small in relation to that produced by the longitudinal axis component. In practice When deciding on the shape of the rotor pole, it is sufficient to only consider the influence of the longitudinal axis component to consider.

Hierzu 4 Blatt ZeichnungenFor this purpose 4 sheets of drawings

Claims (4)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Umlaufender Frequenz-Vervierfacher mit einem Ständer, der eine mehrphasige Primärwicklung und eine mehrphasige Sekundärwicklung mit gegenüber der Primärwicklung vierfacher Polzahl aufweist, und einem Läufer, der ausgeprägte Pole gleicher Zahl wie die Primärwicklung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die in Umfangsrichtung einander abwechselnden ungleichnamigen Läuferpole derart gestaltet sind, daß jeweils ein (konvexer) Läuferpol in der Polmitte gegenüber dem Ständer (1) einen engeren Luftspalt (δ) ausbildet als an den Polrändern und der in Umfangsrichtung folgende ungleichnamige (konkave) Läuferpol in der Polmitte gegenüber dem Ständer (1) einen breiteren Luftspalt (ö+ε) ausbildet als an den Polrändern, und daß jeweils zwischen zwei ungleichnamigen Läuferpolen ein LäuferhiJfspol angeordnet ist, der zur Mitte des zugehörigen konvexen Läuferpols einen Teilungsabstand von1. Rotating frequency quadrupler with a stator, which has a polyphase primary winding and a polyphase secondary winding with four times the number of poles compared to the primary winding, and a rotor, which has pronounced poles the same number as the primary winding, characterized in that the circumferential alternating unlike The rotor poles are designed in such a way that a (convex) rotor pole in the center of the pole opposite the stator (1) forms a narrower air gap (δ) than at the pole edges and the following in the circumferential direction of the opposite (concave) rotor pole in the center of the pole opposite the stator (1 ) forms a wider air gap (δ + ε) than at the pole edges, and that between two different rotor poles a rotor hiJfspol is arranged which has a pitch of at the center of the associated convex rotor pole weniger als^aufweisthas less than ^ 2. Frequenz-Vervierfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er als wechselstromerregte Synchronmaschine ausgebildet ist2. Frequency quadruple according to claim 1, characterized in that it is designed as an alternating current excited synchronous machine 3. Frequenz-Vervierfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er als Klauenpol-Synchronmaschine ausgebildet ist.3. frequency quadruple according to claim 1, characterized in that it is used as a claw-pole synchronous machine is trained. 4. Frequenz-Vervierfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Ständer (1) und Läufer (4) mit Ausnahme des Luftspaltes voneinander magnetisch isoliert sind.4. frequency quadruple according to claim 1, characterized in that the stator (1) and rotor (4) with the exception of the air gap from one another are magnetically isolated. 3535