CH665508A5 - Dynamoelektrische maschine. - Google Patents

Description

665 508

2

PATENTANSPRUCH Dynamoelektrische Maschine mit einem genuteten Anker mit mehrphasiger Wicklung aus Stäben, die aus miteinender verdrillten, an den Spulenenden parallel geschalteten Teilleitern zusammengesetzt sind, wobei jeder Stab eine bestimmte Anzahl von zum Nutgrund parallelen Teilleiterlagen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilleiter (5) innerhalb der Nuten (la) jeweils um einen Winkel von 360°, geteilt durch die Zahl der Teilleiterlagen (A-D, a-d), verdrillt sind und an den endseitigen Verbindungsteilen (Ti, T2) der Stäbe (2, 3) unter einem Winkel von 360°, geteilt durch das Doppelte der Zahl der Teillerleiter-lagen (A-D, a-d), in entgegengesetzter Richtung verschaltet sind, wobei die Zahl der Stäbe (2, 3) je Pol und Phase zumindest annähernd der Zahl der Teilleiterlagen (A-D, a-d), oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entspricht.

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine dynamoelektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Die Ankerwicklungen von dynamoelektrischen Maschinen werden im allgemeinen aus in mehrere Teilleiter unterteilten Stäben geformt, um durch Magnetfluss erzeugte Wirbelströme in den Spulen zu verhindern.

Die getrennten, einzelnen Teilleiter erzeugen jedoch gegenseitig einen Potentialunterschied aufgrund des Magnetflusseffekts, wobei zwischen den Teilleitern ein zirkulierender Strom fliesst. Dies kann jedoch durch eine Verdrillung zwischen den Teilleitern verhindert werden.

Bei bisherigen Ankerwicklungen werden die Teilleiter im Nutteil normalerweise über 360° verdrillt, so dass jeder Teilleiter über die axiale Länge des Stabes in dem Raum zwischen seinem Eintrittspunkt in die Nut und seinem Austrittspunkt aus dieser in jede Relativlage verdreht ist.

Dieses bisherige Verfahren zum Verdrillen der Teilleiter in einem Stab erfordert jedoch doppelt soviele Überkreuzungen zwischen den Teilleiterreihen, wie Teilleiter vorhanden sind; bei Maschinen mit einem kurzen Ankerkern oder einer grossen Zahl von Teilleiterlagen ist dabei die Steigung der Verdrillungen ausserordentlich gross, weshalb eine solche Anordnung im Hinblick auf Grössenbeschränkungen in der Praxis oft nicht anwendbar ist.

Aus F. Heiles: «Wicklungen elektrischer Maschinen und ihre Herstellung», Berlin, Göttingen, Heidelberg, 1953, Seite 99, ist eine dynamoelektrische Maschine der eingangs genannten Art bekannt, bei der die Teilleiter beispielsweise durch mehrere Windungen hindurchgeführt sind, ohne sich jeweils am Stabende bzw. auf der Spulenseite untereinander zu verbinden.

Weiterhin ist es aus Sequenz: «Herstellung der Wicklungen elektrischer Maschinen», Wien, 1973, Seite 78, Abschnitt 3.3.2, und aus «Technische Mittelleitungen AEG-Telefunken», 63/1973, Heft 1, Seiten 21 und 22, bei Kunststabwicklungen bekannt, die Teilleiter in einer Nut um 360° zu verdrillen. Wenn die Teilleiter dabei an den Stabenden und Stabverbindungen voneinander isoliert sind, dann genügt eine einmalige Verdrillung um 360° innerhalb eines Wicklungsstranges, so dass die Teilleiter innerhalb dieses Wicklungsstranges alle verschiedenen Seiten- und Höhenlagen im Wickelkopf durchlaufen. Die Verdrillungen können auch in den Stabverbindungen erfolgen, und insbesondere in «Technische Mittelleitungen» (u.a.O) wird auf die Schwierigkeit der Verdrillung im Nutteil sehr kurzer Maschinen verwiesen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine dynamoelektrische Maschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die auch bei kurzem Ankerkern und einer grossen Anzahl von Teilleiterlagen eine wirksame Unterdrückung der Schlingströme zwischen den Teilleitern zu gewährleisten vermag.

Diese Aufgabe wird bei einer dynamoelektrischen Maschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruches erfindungsgemäss durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenden Merkmale gelöst.

Durch die Verdrillung der Teilleiter um jeweils einen Bruchteil von 360° und die Verschattung der Stäbe um jeweils die Hälfte der Verdrillung in den Nuten lässt sich so auch bei kurzen Maschinen über die gesamte Wicklung bzw. Spule hinweg eine Verdrillung um 360° erzielen, so dass die Schlingströme wirksam unterdrückt werden können.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Ausschnittes einer dynamoelektrischen Maschine,

Fig. 2 eine erläuternde Seitenansicht der relativen Verschiebung der Spulen einer Ankerwicklung gemäss Erfindung,

Fig. 3 eine Draufsicht des Nutenanteils der Spulen nach Fig. 2,

Fig. 4a einen Schnitt entlang der Linie X-X in Fig. 2,

Fig. 4b einen Schnitt entlang der Linie Y-Y in Fig. 2,

Fig. 4c einen Schnitt entlang der Linie Z-Z in Fig. 2, Fig. 5 eine erläuternde Skizze der Anordnung der verdrillten Leiter nach den Schnitten entlang den Linien J-J, K-K, L-L und M-M in Fig. 2, mit dem Blick auf die Schnitte entlang der Linien L-L und M-M von hinten nach vorne betrachtet,

Fig. 6 eine erläuternde Skizze der Verdrillung, deren Spur gemäss Fig. 2 durch einen Teil einer anschliessenden Nute von einer einzigen Phase hervorgehoben ist, wobei die End- und Anschlussteile der Leiter weggelassen sind,

Fig. 7 eine erläuternde Skizze der Lagen der Litzen am Endabschnitt einer einzelnen Phase gemäss Fig. 2, jeweils für eine einzelne Litze,

Fig. 8 eine Verdrillung eines Teiles am Ende der Spule einer Ankerwicklung von der Seite her gesehen und

Fig. 9 eine Draufsicht eines Ausschnittes des in der Ankernut verlaufenden Teils der Spule nach Fig. 8.

In Fig. 1 ist ein Ausschnitt aus einem Rotor 1 einer dynamoelektrischen Maschine gezeigt, der am Umfang eine Vielzahl von Nuten la aufweist, die einen oberen 2 und einen unteren Stab 3 einer Zweischichtwicklung enthält. Ein Verbindungsteil 2b am einen Ende des oberen 2 und das Verbindungsende 3b am einen Ende des unteren Stabes 3 sind so verbunden, dass die beiden Stäbe 2, 3 eine Vollspule 4 bilden. Die Verbindungsteile 2a am anderen Ende des oberen Stabes 3 ist am unteren Stab 3 an einer folgenden Spule mit gleichem Pol und gleicher Phasenlage, oder am gekreuzten Leiter zwischen den Spulengruppen angeschlossen, und der Verbindungsteil 3a am anderen Ende des unteren Stabes ist mit dem oberen Stab 2 einer folgenden Spule derselben Polarität und Phase, oder dem Kreuzungsleiter zwischen den Spulengruppen verbunden. Im oberen und unteren Stab 2 und 3 ist die mit S bezeichnete Strecke der Nuten, die mit Ei und E2 bezeichneten Abschnitte die Endteile, während die mit T1 und ti bezeichneten Teile die Verbindungs- oder Anschlussteile bilden.

Fig. 2 zeigt die Verdrillung der Leiter einer Ankerwicklung von der Seite, während Fig. 3 die Oberansicht der Spule gemäss Fig. 2 darstellt. Die isolierten Leiter 5 der Stäbe 2 und 3 sind im Nutenteil S um einen Winkel von weniger als 360° verdrillt. In dieser Figur bestehen die Leiter 5 aus zwei Reihen und vier Lagen und sind um etwa 90°, bezogen auf die Lage zweier einzelner Leiter, verdrillt, während die Anzahl der Kreuzungen 5p zwischen den Reihen für jeweils einen oberen und einen unteren Stab 2 und 3 zwei beträgt. Jeder Leiter 6 einer Wicklung hat einen oberen 2 und einen unteren Stab 3, wobei die Wicklung durch Klemmen 7 und 8 in den Abschnitten T2 verbunden sind. Ebenso sind die Stäbe 2 und 3 in den Abschnitten T1 von zwei aufeinanderfolgenden Spulen desselben Pols und derselben

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

665 508

Phase mit den Stäben 3 und 2 einer Vollspule desselben Poles und derselben Phase durch die Klemmen 7 und 8 zu einer Wicklung verbunden. Bei den Verbindungen der Leiter 5 an diesen Verbindungsteilen Ti und T2, verlagern sich die Positionen der Leiter. In den Abbildungen bedeutet dies eine Positionsverschiebung von einem Leiter 5 oder einer Verdrillung von ungefähr 45°.

Die Figuren 4a, 4b und 4c zeigen Schnitte aus Fig. 2 entlang der Linien X-X, Y-Y und Z-Z. Jeder Leiter 5 der Stäbe 2 und 3 sind durch eine Klemme 7, 8 verbunden, wobei die Leiter beispielsweise gelötet oder gewachst sein können.

In Fig. 5 sind die verdrillten Leiter 5 einer Phase entlang der fortschreitenden Richtung der Spule in den Abschnitten Ei und E2 der Fig. 2 ausgebildet. Die einzelnen Abschnitte entsprechen den Schnitten J-J, K-K, L-L und M-M. Jeder Abschnitt ist in die fortschreitende Pfeilrichtung der Spule ausgerichtet, und um die Verdrillung des unteren Stabes 3 besser darzustellen, ist diese um 180° gedreht gezeigt. Die Anzahl der Vollspulen 4 des einzelnen Poles und jeder Phase beträgt vier, so dass jeweils vier obere 2 und vier untere Stäbe 3 entstehen. Die Grossbuchstaben A bis D und die Kleinbuchstaben a bis d bezeichnen acht einzelne, parallel geschaltete Leiter eines serieverbundenen Stromkreises. Der Abschnitt der einzelnen Vollspule 4 ist strichpunktiert umrandet. Jeder Leiter 5 hat Anteil an einer oberen 2 und einer unteren Stabwicklung 3, die um 90° in Richtung der Verschiebung der Spule um den Nutenanteil S verdrillt sind. Dabei sind die Verbindungsteile Ti und T2 um 45° in umgekehrter Richtung, d.h. gegen die Verdrillungsrichtung in den Nuten S miteinander verdrillt, wobei sich dies für jede einzelne der vier Spulen jedes einzelnen Pols und Phase wiederholt und die Lage von jedem einzelnen Leiter 5 im Nutenteil S im wesentlichen um 360° elektrisch über eine volle Windung des oberen 2 und unteren Stabes 3 verdrillt ist. Damit ist die elektromotorische Kraft jedes einzelnen parallelen Leiters 5 in der Spulengruppe jedes einzelnen Poles und Phase im Gleichgewicht und die Stromverteilung ist somit einheitlich.

In Fig. 6 ist die Verdrillung in den Nutenanteilen aller vier oberen Stäbe 2 einer Phase von jedem Pol kontinuierlich dargestellt, wobei die Nutenanteile mit Si für den ersten oberen Stab 2, S2 für den zweiten oberen Stab, usw. bezeichnet ist. Der mit b bezeichnete Leiter 5 entspricht dem Leiter b in Fig. 5. Jeder einzelne Leiter 5 hat über eine ganze Phase dieselbe Lageverschiebung über die ganze Nut, wie dies einer Verdrillung von 360° gemäss Stand der Technik entspricht und jeder einzelne Leiter ist dabei bezüglich dem Magnetfluss in der Nut ausgeglichen.

Fig. 7 zeigt die Lage, welche jeder Leiter 5 der Spule gemäss Fig. 2 an den Enden der Stäbe 2 und 3 über eine Phase jedes einzelnen Poles für jeden einzelnen Leiter 5 einnimmt. Die Markierungen O, •, © und ® zeigen die Lage an, welche die Leiter an den Schnittlinien J-J, K-K, L-L und M-M der beiden Stäbe 2 und 3 einnehmen. Jeder Leiter A bis D und a bis d der Leiter 5 nimmt dieselbe Lage oben und unten und links und rechts ein und sind alle im Gleichgewicht bezüglich des Magnetflusses in Umfangsrichtung sowie auch in radialer Richtung.

Wie bereits erwähnt, wird der Ausgleichseffekt der einzelnen Leiter 5 deshalb erreicht, weil die Anzahl der Leiterschichten derjenigen der Spulen jedes Pols und jeder Phase, in diesem Falle vier, entspricht, wobei in den Nutanteilen der beiden Stäbe 2 und 3 eine Verdrillung entsprechend zwei Leitern, d.h. von 90° entsteht, wobei im Verbindungsabschnitt des Spulenendes eine entgegengesetzte Verdrillung entsprechend einem Leiter von 45° entsteht.

Es ist also festzustellen, dass die Verdrillung in Teilleiterlagen aufgeteilt ist, die jeweils von der Anzahl der Leiterlagen abhängig ist, und wenn die Anzahl dieser Abschnitte N beträgt, so werden die Stâbé 2 und 3 in den Nutanteilen um 360° x N~' verdrillt. Damit kann jede einzelne Linie in bezug auf den wirkenden Magnetfluss bezüglich einer Ankerwicklung ausgeglichen werden, wenn die Spulenanzahl jedes einzelnen Poles und der Phase der Anzahl der Leiterschichten und somit der Anzahl Segmente N entspricht.

Ferner können ähnliche Effekte durch Verwendungen erreicht werden, in welchen die Anzahl der Spulen von jedem Pol und jeder Phase m • N beträgt. Dies ist durch m-malige Wiederholung der Verdrillung nach Fig. 5 möglich, wobei die Ver-drillungsspur im Nutenteil der Figur 6 eine ausgeglichene Verdrillung von 360° X m annimmt, und die geschnittenen Anteile gemäss Fig. 7 jeweils mit m multipliziert werden, damit ausgeglichene Positionszustände erreicht werden.

Auch wenn die Anzahl der Leiterlagen M und die Anzahl der Spulen jedes Poles und jeder Phase M • n"1 ist, wird die Anzahl der Leiterlagen m um N segmentiert, wobei N = M • n-1 oder der Spulenzahl entspricht, und die Verdrillung über die Anzahl N der Segmente geführt wird, so wird derselbe Effekt wie in der oben beschriebenen Ausführung erreicht. Wenn somit die oberen und die unteren Stäbe in jeder Nut um 360° x N_1 verdrillt werden, und eine umgekehrte Verdrillung von 360° X (2N)"1 in jedem Verbindungsabschnitt stattfindet, so ist jeder Leiterstrang im Gleichgewicht. In diesem Falle ist es für jeden Leiterstrang zweckmässig, die Verbindungen 7 und 8 gemäss Fig. 2 zu verwenden. Handelt es sich um eine grosse Anzahl von Leitern, so können diese so arrangiert werden, wie es in Figuren 8 und 9 dargestellt ist. Diese zeigen die Seitenansicht eines Teiles der oberen Stäbe. Die einzelnen Leiterstränge 5 der oberen Stäbe 9 und des nicht gezeigten unteren Stabes sind in verschiedene Leitergruppen 10 aufgeteilt, die durch die Klemmen 7 und 8 miteinander verbunden sind, so dass jede Leitergruppe 10 innerhalb einer Phase ausgeglichen ist. Die Leiter 5 innerhalb der jeweiligen Gruppe 10 sind an beiden Enden des oberen Stabes 9 und des unteren Stabes kurzgeschlossen, so das s ein gewisser Wirbelstrom fliessen kann. Falls alle Leiter 5 eines Stabes kurzgeschlossen sind, wird der Wirbelstrom zwischen den Leitern 5 an beiden Enden innerhalb einer Gruppe 10 nicht zu gross. Somit ist eine sinnvolle Verwendung dieser Ausführung dadurch möglich, dass die Leitergruppen 10 verwendet werden, um das Ausmass zusätzlicher Verluste und die Wärmeentwicklung entsprechend unter Kontrolle zu halten.

Wie schon ausgeführt, werden wünschbare Resultate dadurch erhalten, dass man die Beziehung zwischen der Anzahl von Leiterlagen und der Anzahl von Spulen jedes einzelnen Poles und jeder Phase so festlegt, dass das eine ein ganzzahliges Vielfaches des andern ist, und auch dann, wenn die daraus entstehenden Resultate nicht ideal sind, kann das Verhältnis des ganzzahligen Vielfachen jedoch immer dazu verwendet werden, substantiell ausgeglichene Resultate zu erzielen. Beträgt beispielsweise die Anzahl der Spulen eines jeden einzelnen Pols und jeder Phase 7, und die Anzahl der Leiterlagen M wäre sechs, so ist die Anzahl der Verdrillungs-Teilleiterlagen N ebenfalls sechs, so dass die Verdrillung in den Nutenanteilen ungefähr 60° und die umgekehrte Verdrillung in den Teilleiterlagen etwa 30° beträgt. Die Verdrillungsspur eines Nutenteils in einer Phase gemäss Fig. 6 ergibt dann 420° elektrisch oder 360° + 60° = 420°, und die Endanteile der Leiterlagen gemäss Fig. 7 zeigen die Symbole O, •, © und $ für eine Vollspule. Dabei sind von einer Phase von sieben Spulen sechs ausgeglichen, und die Lagen der Leitungen der verbleibenden Spule sind nicht ausgeglichen, in welcher die Wirbelströme auftreten. Die in Serie geschaltete Länge der Spulen einer einzelnen Phase ist dabei ziemlich lang und die Impedanz in bezug auf den darin zirkulierenden Strom zwischen den Leitern ist dann genügend gross, um zusätzliche Verluste genügend klein zu halten. Wenn somit die Beziehung zwischen der Spulenzahl jedes einzelnen Pols und jeder Phase und die Anzahl von Leiterlagen nicht das Vielfache eines ganzzahligen des anderen ist, so ist bei einer entsprechenden Temperaturauslegung immer noch möglich, das beschriebene Verdrillungsverfahren anzuwenden.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

665 508

4

Wie bereits erwähnt, ergeben die Verdrillungen der Leiterstränge einer Spule im Nutenteil einen Winkel von ungefähr 360°, geteilt durch die Anzahl von Segmenten, über die Leiterstränge verdrillt sind. Die Lage der Leiter sind in bezug zu einer anderen Spule jeweils in den Verbindungsteilen zueinander verschoben, und anschliessend erfolgt eine umgekehrte Verdrillung von einem Winkel, der ungefähr die Hälfte des Verdrillungswin-kels in der Nut beträgt. Damit ist jeder Leiter über seine ganze Länge um 360° bzw. einen Winkel in der Nähe von 360° verdrillt, so dass jede Spulengruppe einer Phase einen kompletten Strom durch jeden Nutenteil dringt und damit auch in Maschinen mit kurzen Rotoren oder mit einer grossen Anzahl von Leiterlagen, die Wirbelströme zwischen den Leitern wirksam unter-5 drückt werden. Auch in Geräten, in denen eine 360° Verdrillung innerhalb des Nutenteils verwendet wurde, kann der Aufwand der Verdrillung einerseits im Aufwand an der Zeit und andererseits in den Kosten dadurch vereinfacht und reduziert werden, dass das beschriebene Verdrillungsverfahren angewendet wird.

v

1 Blatt Zeichnungen