Wechselstrommaschine mit zwei verschiedenpoligen Magnetfeldern. In der Patentschrift 93905 sind Ein- oder Mehrphasenmaschinen mit zwei verschieden- poligen Magnetfeldern beschrieben, bei denen in zwei getrennten Wicklungen oder in einer umschaltbaren Wicklung Wechsel- oder Mehr phasenströme höherer oder niederer Frequenz entnommen oder zugeführt werden können.
Die Wicklungen dieser Maschinen unter scheiden sich von älteren, bereits bekannten Anordnungen dadurch, dass bei letzteren die Wicklung für die geringere Frequenz mit einem derartigen Wickelschritt ausgeführt ist, dass letzterer ein gerades Vielfaches der Polteilung des Magnetfeldes für die höhere, Frequenz beträgt, wogegen bei der neueren Anordnung ein beliebiger verkürzter oder ver längerter Wickelschritt zur Verwendung kom men kann, aber jede Gruppe der pro Pol und Phase hintereinandergeschalteten Spulen seiten der Wicklung für die niedere Frequenz einen Bruchteil der grossen Polteilung bedeckt, welcher ein gerades Vielfaches der kleinen Polteilung bildet, so dass die durch das Mag netfeld der grösseren Polzahl in jeder dieser Gruppeninduzierten Spannungen sich aufheben.
Bei der Ausführung dieser Wicklung stösst man jedoch auf Schwierigkeiten, wenn man eine Umschaltung von Wicklungsteilen ver meiden und aus derselben Wicklung gleich zeitig beide Frequenzen entnehmen will, und zwar rührt dies daher, dass zu viele Spulen seiten pro Pol und Phase direkt hinterein andergeschaltet werden müssen. Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Beseiti gung solcher Schwierigkeiten.
Bei der Be trachtung der in der Patentschrift 93905 dar gestellten Wicklung ergibt sich, dass bei der Schaltung für die niedere Frequenz die Auf hebung der unerwünschten induzierten Span nungen höherer Frequenz dadurch erfolgt, dass die von einem Pol der grösseren Polzahl in einer Gruppe von hintereinandergeschal teten Spulenseiten induzierte Spannung auf gehoben wird durch die von dein benach barten und daher ungleichnamigen Pol in der selben Gruppe von Spulenseiten induzierte Spannung.
Dieselbe Wirkung kann nur offen bar dadurch erzielt werden, dass man zwei Gruppen von Spulenseiten hintereinander schaltet, von denen die erste in an sich be- kannter Weise nur einen Bruchteil einer Pol fläche der grösseren Polzahl bedeckt und die zweite den genau entsprechenden Bruchteil der benachbarten oder auch einer andern un gleichnamigen Polfläche. Man kann somit eine Wicklung aufbauen, die dadurch den gewünschten Zweck erfüllt, dass sie sich aus Paaren solcher Gruppen von Spulenseiten zu sammensetzt, von denen jede mit der zuge ordneten Gruppe (unmittelbar oder gegebenen falls mittelbar über einen Transformator) so zusammenwirkt, dass die von dem Felde der nicht erwünschten Frequenz iuduzierten Span nungen sich aufheben.
Diese Anordnung gibt dem Konstrukteur gegenüber der Anordnung nach dem Patent 93905 eine grössere Bewe gungsfreiheit, da er nun nicht mehr an die Bedingung gebunden ist, dass die pro Pol und Phase hintereinandergeschalteten Spulenseiten ein ganzes gerades Vielfaches der Polteilung für die höhere Frequenz bedecken müssen. Auch bei dieser Anordnung ist der Wickel schritt noch innerhalb gewisser Grenzen be liebig, und man wird ihu aus bekannten Gründen vorzugsweise gegenüber dem vollen Wickelschritt für die kleinere Polzahl ver kürzen.
Im nachfolgenden soll die Erfindung an hand einiger Ausführungsbeispiele näher er läutert werden. In Fig. 1a sind die beiden Magnetfelder der Maschine in ihrem zeitlichen Verlauf dargestellt. Die stark ausgezogene Kurve gibt den Verlauf des Magnetfeldes ge ringerer Polzahl, die schwächer ausgezogene Kurve denjenigen des Magnetfeldes höherer Polzahl an. Das Verhältnis der Polzahlen ist, wie die Figur zeigt, des Beispiels halber als 1:3 angenommen, doch sind natürlich auch andere Polzahl-Verhältnisse möglich.
In Fig. 1b ist eine dazu gehörige Wick lung dargestellt. Der Übersichtlichkeit halber sind in den einzelnen Wicklungszügen nicht sämtliche Wicklungselemente zur Darstellung gebracht, die zu einer der ein Paar bildenden Gruppen gehören, sondern es ist immer eine Gruppe solcher Wicklungselemente durch einen einzigen Leiter verkörpert. In der Figur sind dies die Leiter I, I und i. Der Bruch- teil der Polfläche der grösseren Polzahl, wel chen die durch den Leiter I verkörperte Gruppe von Spulenseiten bedeckt, ist gemäss den Fig. 1a und 1b ein Drittel. Ebenso wird von den durch die Leiter I und i verkörperten Gruppen von Spulenseiten je ein Drittel der zugehörigen Polteilung des Feldes höherer Frequenz bedeckt. Diese Polteilung des Fel des höherer Frequenz ist in den Fig. 1a und 1b mit a, die Polteilung des Feldes niederer Frequenz mit b bezeichnet.
Der Wickelschritt der Spulen ist ein beliebiger verkürzter oder verlängerter. In der Fig. 1b ist des Beispiels halber ein gegen b verkürzter, mit c bezeich neter Wickelschritt angenommen. Der Über sichtlichkeit halber sind die Gruppen von Spulenseiten, welche die Polflächen 1 1 2 2 3 3 bedecken in der Fig. 1b nicht dar gestellt.
Verfolgt man unter Berücksichtigung der Fig. 1a und 1b den Verlauf der in den Spulen gruppen I, I und i induzierten Spannungen, so ergibt sich zunächst, dass alle diese Spulen gruppen von beiden Magnetfeldern gleichzeitig induziert werden. In den Figuren der Zeich nung sind die von dem Magnetfelde niederer Frequenz induzierten Spannungen durch starke einfache Pfeile, die von dem Magnetfeld höherer Frequenz induzierten Spannungen durch schwächere Doppelpfeile dargestellt. In der Spulengruppe I ist die vom Magnetfelde nie derer Frequenz induzierte Spannung mit der vom Magnetfeld höherer Frequenz induzierten Spannung im gleichen Sinne gerichtet. Das selbe ist der Fall in der Spulerrgruppe i, wo gegen in der Spulengruppe I die vom Felde höherer Frequenz induzierte Spannung der vorn Felde niederer Frequenz induzierte Span nung entgegengerichtet ist.
Es gehört nun zu den Aufgaben der Erfindung, die Spulen gruppen der Wicklung so zu schalten, dass diese verschiedenfrequenten Spannungen sich gegenseitig nicht stören, sondern möglichst voll ausgenutzt werden können.
Gemäss Fig. 1b geschieht dies in folgender Weise. Beginnt man den Verlauf des Wick lungszuges an dem mitlii bezeichneten Spulen anfang, so geht man von dort zunächst durch die Gruppe von Spulenseiten I unter Durch- laufung auch der zugehörigen punktiert ge zeichneten rechten Seiten dieser Spulen. In diesen rechten Seiten, die überwiegend unter dem Einfluss eines ungleichnamigen Magnet poles liegen, werden Spannungen induziert, die zwar den in der linken Gruppe von Spulen seiten induzierten nach Grösse und Phase nicht genau gleich sind, sich zu ihnen aber geo metrisch addieren.
Im weitern Verlauf der Beschreibung soll daher auf diese Spannungen nicht besonders Rücksicht genommen, sondern stillschweigend vorausgesetzt werden, dass sie lediglich ein verstärkender Teil der in den links liegenden Gruppen von Spulenseiten in duzierten Spannungen sind, so dass also prin zipiell nur diese letzteren in Betracht ge zogen zu werden brauchen. Man verbindet dann das Ende dieser Spulengruppe mittelst der ausgezogenen kreisbogenförmigen Verbin dung mit dem Anfang der nächsten Spulen gruppe I und durchläuft diese Spulengruppe bis zu dem mit K2 bezeichneten Spulenende; 1 und 2 bilden so ein Gruppenpaar.
In diesem gesamten Wicklungszug addieren sich die vom Magnetfelde geringerer Frequenz indu zierten, durch die starken einfachen Pfeile dargestellten Spannungen, wogegen die vom Magnetfelde höherer Frequenz induzierten, durch die schwächeren Doppelpfeile darge stellten Spannungen sich aufheben. Durch diese Reihenschaltung der Spulengruppen I und I ist man somit in der Lage, an den Klemmen K1 und K2 Wechselstrom niederer Frequenz zu entnehmen, wogegen der Wech selstrom höherer Frequenz an diesen Klemmen unwirksam ist.
Wünscht man aus der Wicklung nach Fig. 1b Wechselstrom der höheren Frequenz zu entnehmen, so muss man von Klemme K1 beginnend, erst die Gruppe I durchlaufen, darauf, wie die punktiert gezeichnete kreis bogenförmige Verbindung andeutet, nach Klemme K2 gehen, von dort die Gruppe I in umgekehrter Richtung wie vorher durchlaufen und den Anfang dieser Gruppe mit dem An fang der Spulengruppe i verbinden, um letztere im gleichen Sinne zu durchlaufen wie die Gruppe I, bis schliesslich die Klemme K3 als Ende des gesamten Wicklungszuges erreicht wird.
Verfolgt man bei dieser Schaltung die in den Spulengruppen I, I und i induzierten Span nungen höherer Frequenz gemäss den Doppel pfeilen, so wird man feststellen, dass diese in bezug auf die Klemmen K1 und K2 in sämt lichen Spulengruppen gleichsinnig in Reihe geschaltet sind und sich daher addieren. Die von dem Magnetfeld niederer Frequenz indu zierten Spannungen äussern dagegen an den Klemmen K1 und K3 keine Wirkung, denn aus Fig. 1a und 1b ergibt sich, dass in bezug auf das Magnetfeld niederer Frequenz die Spulengruppen I, I und = die drei Phasen einer Drehstromwicklung darstellen. In einer solchen ist aber bekanntlich die Summe der in den drei Phasen induzierten Spannungen gleich Null.
Man wird also bei der zuletzt beschriebenen Schaltung an den Klemmen K1 und K3 unter Ausnutzung der vollständigen Wicklung nur Wechselstrom der höheren Fre quenz entnehmen. Auf der Zeichnung bezeichnen die Pfeile N die Stellen, wo die Spannung niederer Frequenz, und die Pfeile H die Stellen, wo die Spannung höherer Frequenz abgenommen wird.
In den Fig. 1c und 1d sind der Übersicht lichkeit halber die beiden soeben anhand von Fig. 1b beschriebenen Schaltungen schematisch dargestellt. In Fig. 1c ist die Spulengruppe I mit I so in Reihe geschaltet, dass die von dem Magnetfeld niederer Frequenz induzierten Spannungen, gemäss den starken einfachen Pfeilen, sich addieren, während die vom Mag netfeld höherer Frequenz induzierten Span nungen gemäss den schwächeren Doppelpfeilen sich aufheben. Die Spulengruppe i ist bei dieser Schaltung, wie schon bezüglich Fig. 1b ausgeführt wurde, unbenutzt. Die Abnahme des Stromes niederer Frequenz erfolgt daher an den Klemmen K1 und K2.
Fig. 1d zeigt ein Schema für die Verwen dung der Wicklung für die höhere Frequenz. Die Spulengruppen i und i liegen, wie die Pfeile zeigen, unverändert wie in Fig. 1 . Die Spulengruppe I ist aber, wie die Pfeile an- deuten, mit vertauschten Enden mit den beiden andern Spulengruppen in Reihe ge schaltet. Die Abnahme oder Zuführung des Stromes erfolgt an den beiden äussersten Enden des Wicklungszuges, also an den Klemmen K1 und K3.
Wie die schwächeren Doppelpfeile zeigen, sind die vom Felde höherer Frequenz induzierten Spannungen hier bei gleichsinnig in Reihe geschaltet, wogegen die durch das Magnetfeld niederer Frequenz in den Spulengruppen induzierten, durch die starken einfachen Pfeile dargestellten Span nungen sich, wie oben erwähnt, als Summe der drei Phasenspannungen eines Drehstromes zu Null ergänzen.
Aus den Fig. 1b, 1c und 1d folgt, dass die Wicklung bei dieser Anordnung immer nur Strom der einen oder der andern Frequenz abgeben oder aufnehmen kann, nicht aber Ströme beider Frequenzen gleichzeitig. Unter Umständen ist es aber erforderlich, entweder gleichzeitig zwei verschiedene Frequenzen aus der Maschine zu entnehmen, oder aber die Maschine als Frequenzumformer zu benutzen, indem Strom der einen Frequenz in die Ma schine hineingeleitet und Strom der andern Frequenz aus ihr entnommen wird. Um diesen Zweck zu erfüllen, muss die Wicklung offen bar so angeordnet werden, dass in bezug auf die Anschlusspunkte für den Strom niederer Frequenz die Spulengruppe j mit I hinterein ander geschaltet ist, während sie in bezug auf die Anschlusspunkte für den Strom höherer Frequenz I und i entgegengeschaltet ist.
Eine Anordnung dieser Art ist in Fig. 2 dargestellt. Irr dieser ist ähnlich, wie in Fig, 1d, die Spulengruppe I mit I und i in Reihe ge schaltet, wobei wiederum Gruppe I wie in Fig. 1d mit vertauschten Enden angeschlossen ist. Die Entnahme des Stromes höherer Fre quenz erfolgt daher an den äussersten Enden des gesamten Wicklungszuges, d. h. an den Klemmen K1 und K3, wie bereits beschrieben.
Um nun ohne Umschaltung der Spulen gruppe I und gleichzeitig mit der Entnahme von Strom höherer Frequenz auch solchen niederer Frequenz entnehmen zu können, wird die Umschaltung der Spulengruppe 2 in bezug auf den Stromkreis niederer Frequenz nicht durch Vertauschung der Enden, sondern trans- formatorisch bewirkt, indem an die Enden der Wicklung I die Primärwicklung eines Transformators t angeschlossen ist, dessen Sekundärwicklung in geeigneter Weise mit der Spulengruppe I in Reihe geschaltet ist. Die Entnahme des Stromes niederer Frequenz erfolgt nunmehr zwischen der freien Klemme K4 der Transformator-Sekundärwicklung und der Klemme K2.
Wie die starken einfachen Pfeile in Fig.2 zeigen, addieren sich darin die den Spulengruppen I und I entsprechenden Span nungen niederer Frequenz, während, wie aus den Doppelpfeilen folgt, sich die Spannungen höherer Frequenz in diesen Spulengruppen aufheben.
Die Fig. 3a und 3b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ebenfalls die gleichzeitige Abgabe oder Auf nahme von Wechselströmen verschiedener Frequenz ohne Umschaltung von Wicklungs teilen möglich ist. Der Übersichtlichkeit halber möge das Prinzip der Anordnung zunächst anhand der Fig. 3b erläutert werden. Es ist bekannt, dass man bei einer Brückenschaltung an zwei Diagonalpunkten Strom einer be stimmten Art und gleichzeitig an den beiden andern Diagonalpunkten Strom einer andern Art zuführen oder abnehmen kann, ohne dass diese beiden Ströme sich im geringsten stören. Von diesem Prinzip wird bei der Anordnung nach den Fig. 3a und 3b Gebrauch gemacht.
Wie bei der Anordnung nach den Fig. 1b, 1c und 1d werden für die Entnahme des Stromes niederer Frequenz nur die Spulen gruppen I und I benutzt, während für die Entnahme des Stromes höherer Frequenz auch die Spulengruppe i mitbenutzt wird. Da in der Brückenschaltung je zwei Zweige ein ander gleich sein müssen, wird abweichend von Fig. 1b jeder Bruchteil einer Polfläche des Feldes höherer Frequenz zweimal von einer gleichartigen Gruppe von Spulenseiten bedeckt, wie irr Fig. 3a angedeutet. Der zweite Zweig kann. aber auch einem andern Pol paar zugeordnet sein. Im ersteren Falle können die die beiden gleicher. Zweige bildenden Spulenseiten in denselben Nuten entweder übereinander oder nebeneinander liegen.
Verfolgt man in Fig. 3a den Verlauf der induzierten Spannungen von Punkt A begin nend, so gehen von diesem zwei parallelge schaltete Stromzweige aus, nämlich: 1. Durch die Spulenseiten-Gruppe i und die zugehörige punktiert gezeichnete rechte Seite derselben nach dem Punkt C; von dort durch die kreisbogenförmige Verbindung nach der Spulengruppe I zum Punkt B.
2. Von A durch die kreisbogenförmige Verbindung durch die Spulengruppe I', nach Punkt D; von dort durch die kreisbogen förmige Verbindung nach der Spulengruppe I' und durch diese nach Punkt B.
Dieser Teil des Wicklungszuges ist sche matisch durch das die Brückenschaltung dar stellende Parallelogramm ACBD in Fig. 3b dargestellt. Die einzelnen Brückenzweige T, i' und I, i' stellen die entsprechenden Gruppen von Spulenseiten der Fig. 3a dar. Wie sich aus dem Schema Fig. 3b ergibt, addieren sich die vom Magnetfeld niederer Frequenz indu zierten durch die starken einfachen Pfeile ge kennzeichneten Spannungen in bezug auf die Punkte AB, während sich die von dem Mag netfeld höherer Frequenz in der Wicklung induzierten Spannungen aufheben. In bezug auf die Punkte C und D addieren sich hin gegen die vorn Magnetfeld höherer-Frequenz induzierten Spannungen. Die Entnahme des niederfrequenten Stromes erfolgt somit an den Punkten A und B der Fig. 3a und 3b.
In ganz ähnlicher Weise, wie bei Fig. 1d, werden die Wicklungsgruppen I und I' für die Ent nahme von Strömen höherer Frequenz nutz bar gemacht, indem sie unter sich parallel geschaltet mit den Wicklungsgruppen I I', I i' in Reihe geschaltet werden. Dies geschieht nach Fig. 3a mittelst der kreisbogenförmigen Verbindung von D nach der rechts gelegenen, punktiert gezeichneten Spulenseiten-Gruppe, so dass schliesslich der Punkt E das eine Ende des gesamten Wicklungszuges bildet. Der Anschluss der Gruppen I und I' ist auch in Fig. 3b dargestellt und die Punkte C und E als Anschlusspunkte für den Strom der höheren. Frequenz gekennzeichnet.
Die eingezeichneten Pfeile ergeben nach dem oben Gesagten sowohl für die höhere als auch für die niedere Frequenz ohne weiteres den Stromverlauf.
Die Fig. 3b zeigt der Vereinfachung wegen das Schaltungsschema für nur eine Phase des höherfrequenten Stromes entsprechend der in den Fig. 1a, 1b und 3a zur Darstellung ge brachten Besetzung nur der ersten mit I be zeichneten Phase jeder Polteilung der höheren Frequenz. Zweckmässig wird man natürlich alle drei Phasen bewickeln und kann dann sowohl Dreiphasenstrom höherer Frequenz, als auch Einphasenstrom niederer Frequenz entnehmen.
Für die Entnahme des letzteren wird man zweckmässig die Addition der drei Spannungen der niedern Frequenz, die je weils an den Punkten A und B der drei Hochfrequenzphasen entstehen, dadurch vor nehmen, dass man mit ihnen drei gesonderte Primärspulen eines Einphasentransformators speist, in dessen Sekundärwicklung sich dann die drei transformierten Spannungen zu einer Einphasenspannung der gewünschten Höhe und Frequenz vereinigen.
Die in den Figuren der Zeichnung dar gestellten Anordnungen stellen nur Ausfüh rungsbeispiele dar, die mannigfache Ände rungen zulassen. Obgleich in den Fig. 1b und 3a die Wicklung als Schleifenwicklung dargestellt ist, kann man natürlich bei sinn gemässer Abänderung auch eine Wellenwick lung oder eine andere der gebräuchlichen Wicklungsarten verwenden, sofern diese auch die in der Einleitung der Patentbeschreibung angegebenen Bedingungen erfüllt.