DE639028C

DE639028C - Wicklung fuer Mehrphasenwechselstrommaschinen

Info

Publication number: DE639028C
Application number: DEA66730D
Authority: DE
Inventors: Dr Friedrich Kade
Original assignee: AEG AG
Current assignee: AEG AG
Priority date: 1932-07-28
Filing date: 1932-07-28
Publication date: 1936-11-27

Description

Das wesentliche Element in allen Mehrphasenwechselstrommaschinen ist das magnetische Drehfeld, das durch die in den Wicklungen fließenden Ströme erzeugt oder wenigstens maßgebend mitbestimmt wird. Die Wicklungen sind zweckmäßigerweise so anzuordnen, daß ein möglichst rein sinusförmiges Drehfeld entsteht. Hiervon hängt bei Generatoren z. B. die Spannungskurvenform, bei Induktionsmotoren das Anzugsmoment, der Wirkungsgrad und Leistungsfaktor und bei allen Maschinen das Geräusch in weitern Maße ab.
Das ideale Drehfeld ist in jedem Augenblick über die doppelte Polteilung sinusförmig verteilt. Sein Höchstwert ist konstant und läuft mit gleichbleibender Geschwindigkeit um. Um der Kurve der Amperewindungen, die das Feld hervorrufen, diese idealen Eigenschaften zu verleihen, müßten theoretisch unendlich viele Nuten benutzt werden; ferner müßten die Amperewindungen einer am Orte α befindlichen Nut zur Zeit t den Wert A - cos (2π· ft — p ■ α) besitzen, wobei A der konstante Höchstwert der Amperewindungen in dieser Nut ist, / die Frequenz des Wechselstromes und 2p die Polzahl der Wicklung bedeutet. In dem Diagramm Abb. 1 gibt der Vektor OA die Zeitphase und die Größe der Amperewindungen einer Nut am Orte α an. Die Endpunkte aller Vektoren OA liegen auf einem Kreise. Die Nutenzahl je Polpaar muß nun aber natürlich endlich sein. Es ist also praktisch unmöglich, den Idealfall vollkommen zu verwirklichen. Hat man q gleichmäßig verteilte Nuten je Pol und Phase, also z. B. bei einer Drehstrommaschine 6 q Nuten je Polpaar, so sind die gesamten Amperewindungen eines Polpaares an 6q Punkten konzentriert. Die bestmögliche Lösung ergibt in diesem Falle eine Wicklungsanordnung, bei der die Amperewindungen aller Nuten denselben Höchstwert haben, dessen Zeitphase sich von Nut zu Nachbarnut um den Winkel 2 π/6 q elektrische Grade ändert. Das der Abb. ι des Idealfalles entsprechende Diagramm ist dann durch ein gleichseitiges regelmäßiges ög-Eck; darzustellen. Eine einfache Untersuchung zeigt, daß hierbei außer dem Grundfelde von 2 p Polen noch Oberfelder der Polzahl 2p (ßaq^i) auftreten, wobei a — o, 1, 2, 3 ... ist. In einer

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dr. Friedrich Kade in Weinheim.

symmetrischen' Drehstromwicklung gleicher Nut- und'Polzahl, die ohne diese Rücksicht entworfen wurde, werden dagegen im auge-, meinen Oberfelder der Polzahl ip (6a^ if auftreten. -Eine Zusammenstellung ergibt für die einzelnen Reihen folgende Ordnungszahlen für die auftretenden Harmonischen:

Reihe

ι 5 7 Ii 13 17 19 23 25 z'g'fi 35 37 41 43 47 49 53 55 59 ^{6l 6}5 usw.

für 2= ι ι 5 7 11 13 17 19 23 25 29 31 35 37 41 43 47 49 53 55 59 61 65

q = 2 ι

usf.

J=CO I

11 13 23 25

23 25

Die beiden wesentlichen Bedingungen: ι. gleicher ' Höchstwert der resultierenden Amperewindungen einer Nut, 2. gleiche zeitliche Phasenverschiebung zwischen den Amperewindungen in Nachbarnuten, sind bei Wicklungen mit einer Nut je Pol' und Phase stets erfüllt, doch zeigt die vorstehende Tabelle, daß die Zahl der auftretenden Oberfelder in diesem Falle gegenüber dem allgemeinen Falle nicht verringert wird. Dieser Vorteil der Anordnung ergibt sich erst, wenn die Zahl der Nuten je Pol und Phase zwei oder mehr beträgt. Je höher sie ist, desto größer ist der Vorteil der Anordnung.

Es ist nun zwar schon bekannt, daß es günstig ist, wenn die resultierenden Nutenamperewindungen von Νμί zu Nut andere Zeitphase aufweisen. Man glaubte jedoch allgemein, daß die Erfüllung dieser Bedingung teufe und komplizierte Wicklungen erfordere. So ist beispielsweise eine Wicklung bekanntgeworden, bei der die resultierenden Ntttenamperewindungen von Nut zu Nut andere Zeitphase aufweisen und bei der auch in jeder Nut. der " Höchstwert der resultierenden +5 Amperewindungen derselbe ist. Diese Wicklung ist jedoch als sehr komplizierte Dreischichtwicklung ausgebildet. Dadurch wird erreicht, daß sich die einzelnen Phasen zwischen solchen Punkten der Feldkurve überlappen, die an sich durch Zusammenfallen des Stromvektors der betreffenden Phase mit dem Amperewindungsvektor bereits denselben Höchstwert der resultierenden Amperewindungen aufweisen. Diese Lösungsform hat jedoch außer einer komplizierten Wicklungsanordnung noch den weiteren beträchtlichen Nachteil, daß längst nicht die bestmögliche Annäherung des Drehfeldes an den Idealverlauf (Kreisform) erzielt wird. Es wird zwar einen Punkt zwischen den beiden obenge-35 37
35 37

47 49 59 61

53 55

47 49....,

nannten, einen Höchstwert der resultierenden Amperewindungen aufweisenden Punkten geben, an dem gleichfalls derselbe Höchstwert der resultierenden Amperewindungen erreicht wird. Jedoch wird von diesem Punkt aus in beiden Drehrichtungen des Vektors der Höchstwert bis zu einem Minimum abnehmen und 'dann wiederum ansteigen, bis wieder sein Höchstwert an dem nächsten festliegenden Punkt erreicht ist. Damit ergibt sich aber noch eine verhältnismäßig starke Welligkeit des Drehfeldes, die beispielsweise auch nicht durch Vermehrung der Nutzahl pro Pol ausgeglichen werden kann. Im letzteren Fall werden höchstens die Zeitphasen des Amperewindungsvektors zwischen zwei gleichen Höchstwerten kleiner werden, jedoch bleibt die jeweilige Amplitudenverminderung zwischen zwei Höchstwerten bestehen.

Die vorliegende Erfindung beseitigt alle diese Nachteile dadurch, daß die Wicklung too als Zweischichtwicklung mit konzentrischen Spulen ausgebildet ist. Dadurch wird erreicht, daß unter gleichzeitiger Erfüllung der an sich bekannten beiden Bedingungen, nämlich daß die resultierenden Amperewindungen'' in jeder Nut ein und denselben Höchstwert besitzen und daß die Zeitphase des Höchstwertes sich von Nut zu Nut um ein und denselben Betrag verändert, der konstante Höchstwert der resultierenden Amperewin--110 düngen über die gesamte Nutbreite nahezu erhalten bleibt. Es liegt auf der Hand, daß dadurch eine bedeutend weitgehendere Annäherung des Drehfeldverlaufes an den Idealverlauf (Kreisform) erreicht wird als bei der oben beschriebenen Anordnung, wobei gleichzeitig^eine normale und ohne Schwierigkeiten auszulegende Wicklung Anwendung findet.

In Abb. 2a und 2b ist z.B. für eine Ma- »20

schine mit zwei Nuten je Pol und Phase eine Lösung angegeben. In Abb. 2a ist oi, 02 usw. der Zeitvektor der Arnperewindungen von Nut i, 2 usw., und zwar bedeutet:

OA₁ = Amperewindungen der Phase ι in Nut ι — Oberlage A₁ 1= - --2--I — Unterlage

A₂2 = - --I--2 — Oberlage

OA₂ = - - - 2 - - 2 ■— Unterlage

OA₃ = - - - 2 "- - 3 ■— Oberlage

= - - - 3 - - 3 — Unterlage usf.

In den Abb. 2 b, 3 b, 4 b und 5 b sind die drei Phasen durch ο, χ und + gekennzeichnet, und durch die verschiedene Größe dieser

Zeichen ist die Größe der betreffenden Leiterzahlen angedeutet.
Aus Abb. 2 folgt:

Oberlage Nut 1 — Unterlage Nut 6 ist die äußere,

-2 — - -5-- innere Spule

einer Gruppe einer Zweischichtwicklung. In Abb. 6 ist diese Gruppe nochmals dargestellt. Diese Wicklung besitzt starke Schrittverkürzung (Nutschritte 5 und 3, Polschritt sechs Nutteilungen) und hat daher auch geringes Kupfergewicht und außerdem gleiche Gesamtleiterzahl in allen Nuten. Das Verhältnis der Windungszahlen der beiden Spulen ist

=" ■— „· .„o — 0,366.

OA₁ ^sm45

Diese Lösung ist keineswegs die einzige, mit der die zwei erwähnten Bedingungen erfüllbar sind. Abb. 3 gibt eine andere Möglichkeit. Auch hier wird eine Zweischichtwicklung mit Gruppen zu je zwei konzentrisehen Spulen benutzt.

Außenspule: Nut 1 — Oberlage nach Nut 7

— Unterlage mit η Windungen — Schritt sechs Nutteilungen.

Innenspule: Nut 2 — Oberlage nach Nut 6

— Unterlage mit 2 w/ "/3 = 1,155 w Windungen — Schritt vier Nutteilungen.

Also auch hier ist der mittlere Schritt kleiner als der Polschritt, wenn er auch größer ist als im Falle der Abb. 2.

Abb. 4 und 5 geben die entsprechenden Anordnungen für Maschinen mit drei Nuten je Pol und Phase.

Abbildung 4

Außenspule: Nut 1 — Oberlage und Nut 10

— Unterlage — mit η Windungen — Schritt neun Nutteilungen.

Mittelspule: Nut 2 —■ Oberlage und Nut 9

— Unterlage — mit 1,48 η Windungen — Schritt sieben Nutteilungen.

Innenspule: Nut 3 — Oberlage und Nut 8

— Unterlage — mit 0,79 η Windungen — Schritt fünf Nutteilungen.

Die Polteilung entspricht neun Nutteilungen. Die Gesamtleiterzahl je Nut ist 100,113,7 und 113,7%·

Abbildung 5

Außenspule: Nut 1 — Oberlage und Nut 9

— Unterlage — mit η Windungen ·—■ Schritt acht Nutteilungen.

Mittelspule: Nut 2 — Oberlage und Nut 8

— Unterlage ■— mit 0,653 ⁿ Windungen — Schritt sechs Nutteilungen.

Innenspule: Nut 3 — Oberlage und Nut 7

— Unterlage ·—· mit 0,227 ⁿ Windungen —· Schritt vier Nutteilungen.

Die Polteilung entspricht neun Nutteilungen. Die Gesamtleiterzahl je Nut ist 100, •106 und 100 %.

Also auch hier ist der mittlere Wickelschritt kleiner als die Polteilung.

Ähnlich läßt sich bei jeder anderen Nutzahl verfahren. Bei größeren Maschinen, bei denen die Leiterzahlen in einer Spule kleiner werden, wird man mit angenäherten (abgerundeten) Leiterzahlen arbeiten müssen.

Dieselben Überlegungen lassen sich auf jede andere Phasenzahl anwenden. Ist m die no Zahl der Phasen, so ist die hier vorgeschlagene Einteilung der Amperewindungen durch ein gleichseitiges 2mg-Eck darstellbar. Es werden alle Oberharmonischen unterdrückt, mit Ausnahme derer mit 2 ρ (2mgo-+i) Polen, während in einer normalen symmetrischen Wicklung Oberfelder mit 2 p (2 ma + 1) auftreten.

Vorstehende Entwicklung läßt sich auch auf Bruchlochwicklungen anwenden.

Claims

Patentanspruch:

Wicklung für Mehrphasenwechselstrommaschinen mit Leitern verschiedener Phase in einer Nut und zwei oder mehr gleichmäßig verteilten Nuten je Pol und Phase, bei der die resultierenden Amperewindungen in jeder Nut ein und denselben Höchstwert besitzen und die Zeitphase des Höchstwertes sich von Nut zu Nut um ein und denselben Betrag verändert, dadurch gekennzeichnet·, daß die Wicklung als Zweischichtwicklung mit konzentrischen Spulen ausgebildet ist.

Hierzu I Blatt Zeichnungen