DE1613092B2 - Zweischicht-Schleifenwicklung fur einen mehrphasigen dynamoelektrischen Generator - Google Patents

Description

3. Generator mit einer Wicklung nach Anspruch 1 und 60 Wicklungsnuten, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenfolge der Leiter in der Oberschicht

1221122112
und die Reihenfolge der Leiter in der Unterschicht

2 112 2 112 2 1

4. Generator mit einer Wicklung nach Anspruch 1 und 60 Wicklungsnuten, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenfolge der Leiter in der Oberschicht

1-22121211-2
und die Reihenfolge der Leiter in der Unterschicht

2-11212122-1 ^

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Zweischicht-Schleifenwicklung für einen mehrphasigen dynamoelektrischen Generator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche ist aus der DE-AS 1167 434 bekannt. "35

Bei zur Spulenachse antimetrischer Anordnung der Leiter der Spulenseiten, d. h. einer Anordnung, bei der je einem Leiter des einen Zweiges ein Leiter des parallel geschalteten Zweiges auf der anderen Seite der Spulenachse in gleichem Abstand gegenübersteht, sind m> bei der bekannten Wicklung die mit den Leitern der Oberschicht unmittelbar in Reihe geschalteten Leiter der Unterschicht jeder Windung um jeweils gleiche Abstände entfernt, d. h. in Umlaufrichtung gesehen ergeben sich in Ober- und Unterschicht gleiche M Leiterfolgen. Daher werden in den Stromzweigen Spannungen gleicher Größe induziert, die jedoch in ihrer Phasenlage voneinander abweichen. Solche Phasenabweichungen führen aber zu Ausgleichsströmen innerhalb des Generators.

Aus der AT-PS 1 31 005 ist eine Wicklung für einen Wechselstromgenerator bekannt, bei der die Leiterfolgen auf den einander entgegengesetzten Spulenseiten in Umlaufrichtung gesehen einander ungleich sind und innerhalb der Spulenseiten in einer symmetrischen Folge angeordnet sind. Dieses Wicklungsschema ergibt zwar Phasengleichheit zwischen den in den Zweigen induzierten Spannungen, jedoch eine Differenz zwischen deren Amplituden, was nicht minder Grund für Ausgleichsströme innerhalb des Generators ist.

Ausgleichsströme erwärmen den Generator und begrenzen dessen Nutzleistung. Das Ziel bei mehrere parallelgeschaltete Stromzweige aufweisenden Generatoren ist es daher allgemein, solche Ausgleichsströme soweit wie möglich zu verringern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wicklung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der durch die Wahl der Leiterfolgen in Unter- und Oberschicht die zwischen den Stromzweigen vorhandenen Unterschiede im Betrag und in der Phasenlage der induzierten Spannungen minimal sind.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Reihenfolge der den verschiedenen Stromzweigen zugehörigen Leiter in den einander zugeordneten Spulenseiten, im gleichen Drehsinn gesehen, einander entgegengesetzt sind.

Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 ein Wicklungsschema eines zweipoligen Drehstromgenerators mit 48 Nuten und vier parallelen Stromzweigen für jede Phase, von denen jedoch nur eine gezeigt ist;

Fig. la einen Teil der Wicklung nach Fi g. 1 mit den beiden ersten Windungen eines Stromzweiges für eine Phase;

F i g. 2 in einer Abwicklung die Anordnung der in den Nuten befindlichen Leiter für alle drei Phasen der Wicklung nach F i g. 1;

Fig.3 in einem Diagramm für alle drei Phasen des Generators nach Fig. 1 die Spannungsvektoren an den Spulenseiten im jeweiligen Phasenabstand, und

Fig.3a ein Vektordiagramm der Spannung für eine der Spulengruppen des Generators nach Fig. 1, und zwar für Ober- und Unterschicht der Wicklung.

Die Fig. 1, la, 2,3 und 3a zeigen eine dynamoelektrische Maschine nach einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines Turbogenerators 101. Die Bezugsziffern von 101 aufwärts bezeichnen Bauelemente. Niedrigere Bezugsziffern werden für Stromkreise und Vektoren verwendet. Der Generator 101 ist ein zweipoliger Drehstromgenerator, der vier Stromzweige pro Phase hat, von denen je zwei Stromzweige eine Spulengruppe bilden. Er besitzt einen ortsfesten Stator 102 und einen Feldläufer, der durch einen Nordpol 103 und einen Südpol 104 dargestellt ist. Der Stator 102 ist mit 48 Nuten 105 ausgebildet, die am Umfang in Abständen voneinander angeordnet sind und eine Zweischicht-Schleifenwicklung 106 enthalten. Die in der Fig. 1 dargestellte Wicklung 106 bildet nur die Spulengruppen für die erste von den drei Phasen. Die Spulengruppen für die anderen Phasen sind in den Nuten demgegenüber um 120° bzw. 240° verdreht, sonst aber mit ersteren identisch und daher der Klarheit halber in der Fig. 1 weggelassen. Die Fig. 2 und 3

zeigen alle Spulengruppen für die drei Phasen.

In Fig. 1 sind die Spulenseiten 107 der Oberschicht und die Spulenseiten 108 der Unterschicht in einem Abstand von beispielsweise weniger als elektrisch 180°, und zwar 150°, angeordnet, so daß eine Sehnenwicklung erhalten wird. Die erste Spulenseite der Oberschicht der Phase ist daher in einem Abstand von 20 Nuten bzw. von 5/6 der vollen Polteilung von der ersten Spulenseite der Unterschicht angeordnet.

In einer normalen Scheifenwicklung betrüge die Teilung der einzelnen Windung daher 5/6 der Polteilung. Hier haben jedoch die einzelnen Windungen verschiedene Teilungen. Ihre Teilung ist nicht gleich der Teilung der Spulengruppe. Dies geht aus der Fig. la hervor, welche die beiden ersten Windungen der in F i g. 1 gezeigten Wicklung darstellt. Man erkennt, daß die erste Windung der Phase einen Abstand von 21 Nuten und die mit ihrer in Reihe geschaltete Windung einen Abstand von 19 Nuten zwischen den zu der Oberbzw, der Unterschicht gehörenden Spulenseiten hat.

Die in Fig. 1 gezeigte Wicklung 106 besitzt zwei identische Spulengruppen 113, 114, die in derselben Relativstellung zu den beiden Läuferpolen 103, 104 angeordnet sind. Die Spulengruppen 113,114 sind durch Leiter 126, 127 parallelgeschaltet und haben in Bezug auf die Pole 103, 104 einander entgegengesetzte Wicklungsrichtungen (F ig. 1).

Gegenüber der Richtung des jedem Pol zugeordneten Magnetfeldes sind die Wicklungsrichtungen der Spulengruppen 113, 114 gleich, so daß in ihnen gleiche Spannungen erzeugt werden, die in demselben Sinn wirken und je die Hälfte des Ausgangsstromes an die Wicklungsenden 128 abgeben, ohne daß zwischen den beiden Spulengruppen Ausgleichsströme auftreten. Die Spulengruppe 113 besitzt zwei parallele Stromzweige 1, 2, die mit ausgezogenen bzw. strichlierten Linien dargestellt sind. Die Spulengruppe 114 besitzt ebenfalls zwei parallele Stromzweige 3, 4. Insgesamt sind daher pro Phase vier parallelgeschaltete Stromzweige vorhanden. .

Zum Unterschied gegenüber der üblichen Anordnung der Schleifenwicklung, in welcher die Teilung jeder einzelnen Windung der Teilung der übrigen Windungen entspricht, ist erfindungsgemäß die Reihenfolge der Stromkreise 1, 2 bei den zur Unterschicht gehörenden Spulenseiten 108 der Spulengruppe 113 gegenüber der Reihenfolge bei den zur Oberschicht gehörenden Spulenseiten 107 vertauscht. Zu diesem Zweck sind Verbindungsdrähte 109 so angeordnet, daß die relative Lage der zu den beiden Stromzweigen gehörenden, in der Ober- bzw. Unterschicht befindlichen Spulenseiten gegeneinander, vertauscht sind. Währen bei den zur Oberschicht gehörenden Spulenseiten 107 die Stromzweige in der Reihenfolge 12 2 12 1 12 angeordnet sind, haben die Stromzweige bei den zur Unterschicht gehörenden Spulenseiten 108 derselben Spulengruppe die Reihenfolge 2 112 1221.

F i g. 2 zeigt in einer Abwicklung der Nuten die Anordnung der Spulenseiten für die drei Phasen und der vier parallelen Stromzweige pro Phase. Die Stromzweige sind mit 1,2,3 und 4, die Spulenseiten für die drei dem Nord-Pol 103 zugeordneten, hier mit A, B und C bezeichneten Spulengruppen mit a, b und c und die entsprechenden Spulenseiten der dem Süd-Pol 104 zugeordneten, hier mit A', B' und C bezeichneten Spulengruppen mit a', 6'bzw. c' bezeichnet. Wenn bei der dargestellten Reihenfolge die Läuferpole 103 und 104 sich in Fig. 1 und 2 von links nach rechts drehen, liegen die Spannungsvektoren der in den drei Phasengruppen erzeugten Spannungen, die dem Nord-Pol 103 zugeordnet sind, in Abständen von elektrisch 120° voneinander, und zwar in der Reihenfolge A, B, C. Die Reihenfolge der Vektoren der Spannungen in den Spulengruppen Λ", Β', Cist ebenfalls A', B', C Die Vektoren der Resultierenden von A und A', Bund ß'und Cund Chaben einen Zeitabstand von 120°.

Fig.3 zeigt in einem Diagramm die zeitliche Phasenlage der Spannungen in den Leitern für alle drei Phasen. Der äußere Vektorkreis stellt die Spannungen von einzelnen Leitern in der Oberschicht der verschiedenen Spulengruppen und der innere Vektorkreis die Spannungen der einzelnen Leiter in der Unterschicht dar. Für ein derartiges Diagramm würde man normalerweise nur einen Vektorkreis brauchen, weil in einer üblichen Schleifenwicklung die Reihenfolge der Leiter in der Unterschicht mit der Reihenfolge der Leiter in der Oberschicht übereinstimmt. Hier sind jedoch zwei Kreise von Spannungsvektoren gezeigt, wobei die inneren Vektoren für die Unterschicht zu den äußeren Vektoren für die Oberschicht gegensinnig sind. Dadurch wird die richtige additive Beziehung der Spannungsvektoren der Leiter der einzelnen Spulen untereinander dargestellt.

Das in Fig.3a gezeigte Vektordiagramm ist nicht maßstabsgerecht und stellt die Beziehungen der Klarheit halber übertrieben dar. Fig.3a zeigt die additive Beziehung der Vektoren der einzelnen Spulenseiten in der Ober- und Unterschicht der Spulengruppe Λ für die Stromkreise 1 und 2. Daher gilt die Fig.3a für die in Fig. 1 mit 107 und 108 bezeichneten Spulenseiten.

Gemäß den Fig.3 und 3a werden die mit 1 bezeichneten Spannungsvektoren der zu dem Stromzweig 1 gehörenden Spulenseiten der Oberschicht der Spulengruppe A (äußerer Kreis der Fig.3) addiert, wobei die Resultierende Tl in F i g. 3a erhalten wird, die in diesem speziellen Fall gegenüber der Mittellinie der Spulenseiten der oberen Lage der Spulengruppe A im Uhrzeigersinn um einen kleinen Phasenwinkel versetzt ist. Diese in F i g. 3a übertrieben dargestellte Phasenverschiebung beträgt 0,132°.

Entsprechend werden die mit 2 bezeichneten Vektoren der zum Stromzweig 2 gehörenden Spulenseiten der Oberschicht der Spulengruppe A (äußerer Kreis in Fig.3) addiert, so daß die Resultierende T2 in F i g. 3a erhalten wird. Da die relative Lage der zum Stromzweig 1 gehörenden Spulenseiten in der oberen Lage der Spulengruppe A von links nach rechts betrachtet dieselbe ist wie die der zu dem Stromzweig 2 gehörenden Spulenseiten, wenn diese von rechts nach links betrachtet werden (12 2 12 112), ist die Vektorresultierende T2 für den Stromzweig 2 im Betrag gleich Tl, aber in der Phase von der Mittellinie der oberen Lage um einen der Phasenverschiebung für Tl gegengleichen Betrag, d.h. 0,132° im Gegenuhrzeigersinn, verschoben. Da also die Reihenfolge 12 2 12 1 12

w) für die Oberschicht in Bezug auf ihre Mittellinie komplementär spiegelbildlich ist, hat Tl denselben Betrag wie T2, ist aber gegenüber der Mittellinie der Oberschicht in der entgegengesetzten Richtung phasenverschoben.

h5 Erfindungsgemäß ist nun die Reihenfolge in der Unterschicht der Spulengruppe A von der Reihenfolge in der Oberschicht derart verschieden, daß die Vektordifferenz zwischen den resultierenden Spannun-

gen des Stromzweiges 1 und des Stromzweiges 2 der ganzen Spulengruppe herabgesetzt wird. Es hat sich gezeigt, daß man dieses Ziel besonders gut mit einer Reihenfolge erreichen kann, die bei der gezeigten Ausführungsform mit 48 Nuten der umgekehrten Reihenfolge in der Oberschicht entspricht, d. h. 2 1 1 2 1 2 2 1. Die Resultierende der mit 1 bezeichneten Vektoren der zum Stromzweig 1 gehörenden Spulenseiten in der Unterschicht der Spulengruppe A (innerer Kreis in Fig.3) ist in Fig.3a mit Bi und die Resultierende der Vektoren des Stromzweiges 2 in der Unterschicht mit B 2 bezeichnet. Da die Reihenfolge der Leiter in der Ober- und Unterschicht gegeneinander vertauscht ist, ist der Vektor B1 gegenüber dem Vektor 7*1 um den gleichen Betrag, jedoch in entgegengesetzter Richtung in Bezug auf die Mittellinien der beiden von den Spulenseiten gebildeten Wicklungsschichten phasenverschoben. Die Vektoren B 2 und 7*2 haben eine ähnliche Beziehung zueinander. Da die Spulenseiten der Ober- und Unterschicht in Reihe geschaltet sind, wird der Vektor Π zu dem Vektor B1 addiert, so daß für den Stromzweig 1 der Spulengruppe A die resultierende Spannung R 1 erhalten wird. 7*2 und B 2 werden ebenfalls vektoriell addiert und ergeben die Resultierende R 2 für den Stromzweig 2. Die Resultierenden R 1 und R 2 sind phasengleich, im Betrag aber etwas verschieden. Der Unterschied ist von der Spulenweite ρ abhängig. Dabei ist mit ρ der Quotient aus der der Versetzung zwischen der Ober- und der Unterschicht der ganzen Spulengruppe entsprechenden Nutenzahl und der einem Winkel von elektrisch 180° entsprechenden Nutenzahl bezeichnet.

Zum Unterschied von der üblichen Anordnung, in der die Verwendung einer Sehnenwicklung keine Einfluß auf die Spannungsunterschiede zwischen den Stromzweigen einer aus mehreren Stromzweigen pro Phase bestehenden Wicklung hat, ist hier der Spannungsunterschied zwischen den Stromzweigen 1 und 2 von der Phasenbandteilung ρ abhängig. Wenn in einer Wicklung mit Duchmesserspule die Reihenfolge der Leiter bei allen Spulenseiten der Unterschicht der umgekehrten Reihenfolge der Leiter bei den Spulenseiten der Oberschicht entspricht, beträgt der Spannungsunterschied Null. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel hat die Wicklung jedoch eine Sehnung von 5/6 der vollen Teilung, da gewöhnlich zwingende Gründe für die Verwendung einer Sehnenwicklung vorhanden sind, beispielsweise die Vermeidung von Oberwellen usw.

Eine trigonometrische Analyse zeigt, daß bei einem Vertauschen der Reihenfolge der Leiter in der oberen und unteren Lage gemäß der Erfindung der Spannungsunterschied, der nach dem Stande der Technik bei Spulen mit konstanter Sehnung zwischen den Stromzweigen vorhanden ist, um einen die Verbesserung ausdrückenden Multiplikationsfaktor herabgesetzt wird, der sich durch die Formel

j χ ctg (90° χ p)

ausdrücken läßt. Dabei wird durch j ausgedrückt, daß die Phasenumdrehung 90° beträgt, ρ ist das vorstehend definierte Teilungsverhältnis. Bei einer Spulengruppe mit einer durchschnittlichen Teilung von 5/6 der vollen Teilung beträgt dieser Faktor 0,268j; d.h., daß der Spannungsunterschied einen Betrag von nur 26,8% des nach dem Stande der Technik erhaltenen Wertes und einen Phasenwinkel von 90° hat, so daß er mit den resultierenden Spannungsvektoren R1 und R 2 (Fig.3a) phasengleich ist. 26,8% des Spannungsunterschiedes von 0,462% für die Reihenfolge in der oberen Lage ist weniger als 1/8% (0,121%). Der zwischen den Stromzweigen zirkulierende Strom wird noch stärker herabgesetzt, als diese Zahlen andeuten, weil der zirkulierende Strom stets kleiner ist, wenn der Spannungsunterschied zwischen den Stromzweigen mit der den Laststrom erzeugenden Spannung phasengleich ist, als wenn er gegenüber dieser Spannung um 90° phasenverschoben ist. Die Berechnungen zeigen daher, daß die zusätzliche Erwärmung in dem Stromzweig 1 in dem in Fig.3a erläuterten Fall bei der Maschine mit niedrigem Blindwiderstand auf nur 1,2% und bei dem Generator mit höherem Blindwiderstand auf nur 0,62% herabgesetzt wird.

Man erkennt, daß durch das Vertauschen der Reihenfolge der Leiter zwischen der Ober- und Unterschicht einer Spulengruppe der auf die Einheit bezogene Spannungsunterschied, der durch die Oberoder Unterschicht bei alleiniger Betrachtung dieser Schicht erzeugt wird, eine Verminderung und eine Phasenverschiebung erfährt. Man erhält auf diese Weise Auslegungen, die bei Anwendung auf die Reihenfolgen in der Ober- oder Unterschicht der Spulengruppe die schwächsten Ausgleichsströme hervorrufen, wobei in der betreffenden Phasenlage der Spannungsunterschied zwischen den Stromzweigen nur gering ist. Beispielsweise ist der anhand der F i g. 1, 2 und 3 beschriebenen Reihenfolge der Leiter in der oberen Lage 1221211 2, bei der nur ein Spannungsunterschied von

jo 0,462%, auf die Einheit bezogen, auftritt, ein besserer Ausgangspunkt als beispielsweise die Reihenfolge 2 1 1 1222 1, bei der ein auf die Einheit bezogener Spannungsunterschied von 7,33% auftritt, der gegenüber der durchschnittlichen Richtung der beiden resultierenden Spannungsvektoren eine Phasenabstand von 90° hat. Das angewendete Prinzip und der erzielte Vorteil sind jedoch in beiden Fällen gleich.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel der in den F i g. 1,2, 3,3a gezeigten Ausführungsform der Erfindung stellt die nachstehende Wicklungsanordnung für einen zweipoligen Generator mit 60 Nuten und mit 4 Stromkreisen pro Phase dar: Reihenfolge der Leiter bei den Spulenseiten der oberen Lage einer Spulengruppe:

12 2 112 2 112.

Die Reihenfolge der Leiter bei den Spulenseiten der unteren Lage ist vertauscht:

2 112211221.

Der auf die Einheit bezogene Spannungsunterschied ist für die Spulenseiten der oberen Lage allein 1,91%. Da jedoch die Reihenfolge der Stromkreise bei den Spulenseiten der unteren Lage vertauscht ist, wird bei einer Spulengruppe mit einer Teilung von 5/6 der vollen Teilung der resultierende Spannungsunterschied auf nur 0,51% herabgesetzt.

Nachstehend wird eine Wicklungsanordnung für 60 Nuten beschrieben, mit der ein noch kleinerer Spannungsunterschied erhalten wird. Dabei werden die Spulengruppen einander übergreifend angeordnet. ' Reihenfolge der Leiter der Spulenseiten der oberen Lage der Spulengruppe:

1-22121211-2.

e>5 Reihenfolge der Leiter der Spulenseiten der unteren Lage der Spulengruppe:

2-11212122-1.

7 8

Die Striche bezeichnen hier Nuten, die von Spulenseiten men der Erfindung gemeinsam. In dieser Wicklungsan-

von benachbarten Spulengruppen besetzt sind, wie dies Ordnung mit 60 Nu'.en und einander übergreifenden

bei Wicklungen mit einander übergreifenden Spulen- Spulengruppen beträgt der auf die Einheit bezogene

gruppen bekannt ist. Die linke Seite der oberen Lage Spannungsunterschied in einer Lage allein 1,334% (90°

der Spulengruppe ist zu der rechten Seite komplemen- 5 Phasenverschiebung) und der resultierende Spannungs-

tär spiegelbildlich, und die Reihenfolge ist zwischen der unterschied bei den beiden Lagen der Spulengruppe nur

oberen und der unteren Lage vertauscht. Dieses 0,357% (gleichphasig).
Merkmal ist allen bisher beschriebenen Ausführungsfor-

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Zweischicht-Schleifenwicklung für einen mehrphasigen dynamoelektrischen Generator, bei der jede Phase je Pol (Spule) mehrere parallel geschaltete Stromzweige besitzt, von denen jeder mehrere hintereinandergeschaltete Windungen enthält, deren Leiter auf der einen Spulenseite in der Oberschicht und auf der anderen Spulenseite in der Unterschicht angeordnet sind, und bei der innerhalb einer Spulenseite die Reihenfolge der den verschiedenen Stromzweigen zugehörigen Leiter antimetrisch in bezug auf die Spulenseitenmitte ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenfolge der den verschiedenen Stromzweigen zugehörigen Leiter in den einander zugeordneten Spulenseiten, im gleichen Drehsinn gesehen, einander entgegengesetzt sind.

2. Generator mit einer Wicklung nach Anspruch 1 und 48 Nuten, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenfolge der Leiter in der Oberschicht

12212112

und die Reihenfolge der Leiter in der Unterschicht 2 1121221