DE2811249C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Mehrebenen-Leiterstab für elektrische Maschinen, insbesondere für Turbogeneratoren, wie er im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher definiert ist. Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung des genannten Mehrebenen-Leiterstabes wie auch die Anwendung eines solchen Verfahrens zur Herstellung von Vierebenen-Leiterstäben.

Ein Mehrebenen-Leiterstab gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 ist durch die DE-AS 12 31 342 bekannt. Dabei handelt es sich um einen Vierebenen-Leiterstab, bei dem die Teilleiter der beiden inneren Ebenen über den Verdrillungsbereich in entgegengesetztem Verdrillungssinne die jeweils benachbarte äußere Ebene und anschließend die benachbarte innere Ebene durchlaufen, während die Teilleiter der beiden äußeren Ebenen jeweils die nicht benachbarte innere Ebene und anschließend die gegenüberliegende äußere Ebene durchlaufen. Ein solcher Stab, er sei mit Typ A bezeichnet, muß zur Erzielung der gewünschten Verdrillung geflochten werden, was einen relativ hohen Fertigungsaufwand bedeutet.

Der Vierebenen-Leiterstab des Typs A nach der genannten DE-AS ist auch im Buch "Herstellung der Wicklungen elektrischer Maschinen", herausgegeben von H. Sequenz, Springer-Verlag Wien, New York 1973, auf Seite 80 in Abbildung 33 dargestellt. A. a. O. ist in Abbildung 32 die andere Ausführung eines Vierebenen-Leiterstabes gezeigt (im folgenden "Typ B" genannt), für dessen Aufbau charakteristisch ist, daß - in radialer bzw. in Richtung der Nuttiefe betrachtet - auf der einen Stabseite (z. B. Oberseite) die Teilleiter der beiden äußeren und der beiden inneren Ebenen je für sich, aber im entgegengesetzten Verdrillungssinne, untereinander verdrillt sind, und daß - von der anderen bzw. der Stabunterseite her gesehen - die Teilleiter jeder der beiden äußeren Ebenen jeweils mit den Teilleitern der einen ihnen unmittelbar benachbarten inneren Ebene in gleichem Verdrillungssinne verdrillt sind.

Eine solche Teilleiter-Konfiguration zeigt zwar auch der Vierebenen-Leiterstab nach der US-PS 36 47 932, siehe Fig. 6, 7A und 7C, jedoch nur auf Stabteillängen, wogegen auf anderen Stabteillängen ein anderes Verdrillungsprinzip angewandt ist. Die Verwirklichung eines Verdrillungsprinzips lediglich auf Stabteillängen bedingt an sich schon für einen Vierebenen-Leiterstab eine relativ aufwendige Herstellung; dieses Problem vergrößert sich, wenn man zur Herstellung von Mehrebenen-Leiterstäben übergehen möchte, die mehr als vier Teilleiterebenen aufweisen.

Ausgehend von einem Mehrebenen-Leiterstab gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 im allgemeinen und dem vorerwähnten Vierebenen-Leiterstab des Typs B im besonderen, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verdrillungsprinzip anzugeben,

• - mit welchem sich Mehrebenen-Leiterstäbe mit mehr als vier miteinander verdrillten Teilleiterebenen auf einfache Weise, d. h. ohne Flechtarbeit, herstellen lassen
• - und das auch bei höherer Anzahl der Teilleiterebenen beibehalten werden kann, so daß die tangentiale Erstreckung (Stabbreite) der danach hergestellten Mehrebenen-Leiterstäbe nur durch die gewählte Breite der Einlegenuten nach oben begrenzt ist.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe bei einem Mehrebenen-Leiterstab der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher gekennzeichneten Art durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 und 3 angegeben.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Hersellung eines Mehrebenen-Leiterstabes gemäß Anspruch 1, das so gestaltet werden soll, daß die Herstellung von Mehrebenen-Leiterstäben mit 6 Teilleiter-Ebenen oder mit einer höheren geradzahligen Ebenenzahl relativ einfach nach einem vorgegebenen Schema ermöglicht ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Herstellung eines Mehrebenen-Leiterstabes gemäß Gattungsbegriff des Anspruchs 4 durch die im Kennzeichen des Anspruchs 4 angegebenen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind vor allem darin zu sehen, daß trotz einer relativ komplizierten Verdrillung bei 6, 8 usw. Ebenen der Mehrebenen-Leiterstäbe ohne die Ausführung fertigungsaufwendiger Flechtarbeiten herstellbar ist. Die Kröpfung der einzelnen Teilleiter sowie ihr Zusammenfügen zu den Teilleitersäulen der jeweiligen Ebene und schließlich zum gesamten Stab läßt sich relativ einfach durchführen. Hierbei kann die provisorische Verbindung der einzelnen Teilleiter-Säulen durch Umwickeln von Isolierband in regelmäßigen Abständen um den Mehrebenen-Leiterstab sowie die endgültige durch an sich bekannte Imprägnierungs- und Ausback-Verfahren erfolgen.

Durch die DE-PS 4 78 873 ist es zwar bekannt, einen um 360° Verdrillten Zwei-Ebenen-Roebelstab dadurch herzustellen, daß eine glatte (unverdrillte) Teilleiter-Ebene mit 2n Teilleitern, wobei die Teilleiter entsprechend schräg verlaufen, dreimal gefaltet wird, wobei die Faltungsachsen bei 1/4, 1/2 und 3/4 der Ausgangs-Mehrleiter-Höhe verlaufen. Hierbei handelt es sich, wie gesagt, um einen glatten Ausgangs-Stab, der erst durch das Falten verdrillt wird. Demgegenüber ist der Ausgangsstab zur Herstellung des erfindungsgemäßen Mehrebenen-Leiterstabes ein Zweiebenen-Roebelstab, d. h., ein Stab, der bereits verdrillt ist. Außerdem ist dieser Ausgangsstab ein fiktiver Stab, der lediglich zu Definitionszwecken herangezogen wird; in der Praxis braucht von einem solchen Stab nicht ausgegangen zu werden, da die einzelnen Teilleiter der jeweiligen Stabebene mittels einer Kröpfschablone abgekröpft und anschließend zur jeweiligen Teilleitersäule vereinigt werden.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß der Anzahl der Ebenen des erfindungsgemäßen Mehrebenen-Leiterstabes nach oben aus Fertigungsgründen keine Grenzen gesetzt sind. So können Leiterstäbe mit 10, 12, 14, 16 usw. Ebenen hergestellt werden, sofern entsprechend breite Einlegnuten für die aus den Leiterstäben herzustellende Wicklung gegeben sind und die fertigungstechnisch maximal mögliche Kröpfstellenzahl pro Länge nicht ücerschritten wird. Jedoch ist durch die derzeitige Maschinengröße eine natürliche Grenze gesetzt, die im Bereich zwischen 10 und 20 Ebenen pro Leiterstab liegt. Der erfindungsgemäße Mehrebenen-Leiterstab ist deshalb in hervorragendem Maße für Maschinen mit großem Strombelag geeignet. Ein bevorzugter Anwendungsfall ist demgemäß die Ständer- und/oder Luftspaltwicklung von supraleitenden Turbogeneratoren. Insbesondere bei den Luftspaltwicklungen werden Leiterstäbe mit relativ großer Ebenen-Anzahl benötigt; so ist beim heutigen Stand der Technik eine Ebenenzahl von n = 12 bereits ein Konzept.

Wie es sich gezeigt hat, kann das Herstellungsverfahren nach der Erfindung mit Vorteil auch zur Herstellung von Vierebenen-Leiterstäben angewendet werden - die eingangs mit "Typ B" bezeichnet wurden -, wie es im Anspruch 5 angegeben und im folgenden beispielsweise an Hand der Fig. 1A bis 10 oder 2A bis 2F erläutert ist.

Im folgenden wird anhand von vier in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen die Erfindung noch näher erläutert und die Wirkungsweise beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1A, B, C, D in vereinfachter Darstellung in einem Querschnitt einen 4-Ebenenstab, hergestellt durch Faltung eines (fiktiven) 2-Ebenen-Roebelstabes;

Fig. 2A und 2B in einer mehr der Praxis entsprechenden Darstellung zwei Verdrillungsphasen bei der Herstellung eines 4-Ebenstabes aus einem (fiktiven) 2-Ebenen-Roebelstab, wobei Fig. 2A der Fig. 1B und die Fig. 2B der Fig. 1D entsprechen und wobei anstelle von drei Teilleitern je Ebene der 4-Ebenenstab nunmehr 12 Teilleiter je Ebene enthält;

Fig. 2C, 2D, 2E und 2F die bei den einzelnen Teilleitern der ersten (Fig. 2C), der zweiten (Fig. 2D), der dritten (Fig. 2E) und der vierten Teilleiterebene (Fig. 2F) durchzuführenden Kröpfschritte bei einer Verdrillung um 360°; d. h., die normalerweise senkrecht zur Papierebene orientierten Kröpfschritte der jeweiligen Teilleiterebene sind in die Papierebene hineingedreht;

Fig. 3A im Ausschnitt perspektivisch die Ansicht auf die Oberseite eines ein an sich bekannten 4-Ebenen-Leiterstabes;

Fig. 3B die Ansicht auf die Unterseite;

Fig. 4A im Aufriß schematisch den Verlauf eines Teilleiters in den verschiedenen Höhenlagen über die Leiterstab-Länge gesehen bei 180°/540°/180°-Verdrillung, woraus ersichtlich ist, daß die vom Nutenquerfeld herrührenden Leiterspannungen voll ausgeglichen sind;

Fig. 4B die zugehörige Draufsicht auf den 4-Ebenen-Leiterstab nach Fig. 4A, woraus die einzelnen Kröpfschritte eines Teilleiters und der Vollausgleich der vom radialen Stirnkopfstreufeld herrührenden Leiterspannungen ersichtlich sind;

Fig. 5A, 5B, 5C und 5D einen 6-Ebenen-Leiterstab, hergestellt durch Faltung eines fiktiven 2-Ebenen-Roebelstabes in einer in den Fig. 1A bis 1D entsprechenden Darstellungsweise;

Fig. 6A und 6B in einer mehr der Praxis entsprechenden Darstellung einen 6-Ebenen-Leiterstab (Fig. 6B), gewonnen durch zweifache Faltung eines fiktiven 2-Ebenen-Roebelstabes (Fig. 6A), wobei Fig. 6A der Fig. 5B und Fig. 6B der Fig. 5D entsprechen;

Fig. 6C, 6D, 6E, 6F, 6G und 6H die für die einzelnen Ebenen durchzuführenden Kröpfschritte der Teilleiter des 6-Ebenen-Leiterstabes entsprechend der Darstellung nach Fig. 2C bis 2F;

Fig. 7A und 7B im Ausschnitt perspektivisch die Ansicht auf die Oberseite bzw. die Unterseite eines 6-Ebenen-Leiterstabes nach Fig. 6A bis 6H;

Fig. 8A im Aufriß schematisch den Höhenverlauf einer Teilleiterschleife bei einem 2-Ebenen-Roebelstab bei 540°-Verdrillung. Dieser Stab dient als fiktiver Ausgangsstab zur Herstellung eines voll ausgeglichenen 6-Ebenen-Leiterstabes, der in

Fig. 8B und Fig. 8C für eine Leiterschleife im Aufriß bzw. im Grundriß dargestellt ist;

Fig. 9A, 9B, 9C und 9D einen 8-Ebenen-Leiterstab, hergestellt stellt durch dreifache Faltung eines als fiktiver Ausgangsstab dienenden 2-Ebenen-Roebelstabes, und

Fig. 10A, 10B und 10C einen 10-Ebenen-Leiterstab, hergestellt durch vierfache Faltung eines als fiktiver Ausgangsstab dienenden 2-Ebenen-Roebelstabes in entsprechender Darstellungsweise zu Fig. 1A, 1B und 1D.

Fig. 1A bis 1D zeigen in vereinfachter, schematisierter Darstellung für ein z. B. an einem Stabende liegendes Querschnittbild die wichtigsten Schritte bei der Herstellung eines 4-Ebenen-Stabes (Fig. 1D), ausgehend von einem 2-Ebenen-Roebelstab (Fig. 1A). Dieser Roebelstab hat zwei Teilleiter-Ebenen I und II, deren jede sechs radial übereinanderliegende Teilleiter 1 bis 6 und 7 bis 12 aufweist. Durch die Pfeile ist der Verdrillungsumlauf der einzelnen Teilleiter verdeutlicht, welche im dargestellten Falle die Ebene I von unten nach obern durchlaufen, dann zur Ebene II hinübergekröpft werden und die letztgenannte Ebene von oben nach unten bei zu einer Kröpfstelle k 2 durchlaufen. Die obere Kröpfstelle ist k 1 bezeichnet. Zieht man nun die obere Hälfte des als Ganzes mit r bezeichneten Ausgangsstabes in der Ebene ff der Faltungsachse von der unteren Hälfte des Ausgangs-Stabes r ab, so erhält man ein Querschnittsbild, welches in Fig. 1B angedeutet ist mit den zusätzlichen, flexibel bzw. zumindest biegsam zu denkenden Kröpfstellen k 3, k 4. Das obere Roebelstab-Paket r 1 wird nun gemäß Fig. 1B, 1C um die Faltungsachse f in Gegenzeigerrichtung gemäß Pfeil gz so gefaltet, daß zunächst die Zwischenstufe nach Fig. 1C entsteht und bei weiterer Faltung ein 4-Ebenen-Roebelstab nach Fig. 1D mit den 4-Teilleiterebenen e 1, e 2, e 3 und e 4 und den Teilleiter-Kröpfstellen k 14, k 43 k 32 und k 21. Es ist damit, wenn man die gesamte Stablänge betrachtet und unterstellt, daß der 2-Ebenen-Roebelstab r um 360° verdrillt war, ein 4-Ebenen-Leiterstab St IV entstanden, der gleichfalls um 360° verdrillt ist, d. h. bei einem 360°-Umlauf nimmt jeder der Teilleiter 1 bis 12 jede Höhen- und jede Seitenlage innerhalb der 4 Ebenen e 1 bis e 4 ein.

In der Praxis ist es nun nicht erforderlich, den 4-Ebenenstab St IV durch Faltung eines 2-Ebenen-Roebelstabes herzustellen - die anhand der Fig. 1A bis 1D geschilderte Prozedur diente lediglich dem besseren Verständnis -, vielmehr ist es möglich, die einzelnen Teilleiter der jeweiligen Stabebene e 1 bis e 4 in einer Kröpfschablone so abzukröpfen, daß sie zu einer Teilleiter-Säule übereinandergeschichtet werden können. Die einzelnen Teilleiter-Säulen können dann anschließend zum kompletten 4-Ebenen-Leiterstab ineinandergeschoben und miteinander vereinigt werden. Für diese Vereinigung genügt es, wenn an mehreren über die Stablänge verteilten Stellen die Teilleiter durch Umbandeln mittels tränkbaren Isolierbandes zusammengehalten werden derart, daß eine ausreichende mechanische Festigkeit dieses Mehrebenenstabes erreicht wird, damit dieser dann, insbesondere maschinell, vollständig mit Isolierband umbandelt werden oder aber in einer Tränkenlage unter Vakuum mit Kunstharz vollständig durchimprägniert und anschließend ausgehärtet werden kann.

Fig. 2A und 2B entsprechen den Herstellungsphasen nach Fig. 1B und 2D, jedoch mit dem Unterschied, daß hier pro Ebene, wie es in der Praxis vorkommt, wesentlich mehr Teilleiter, nämlich 12, vorgesehen sind und die Teilleiter selbst wesentlich flacher als in der vereinfachten schematisierten Darstellung nach Fig. 1A bis 1D sind. Fig. 2C bis 2F zeigen die einzelnen Teilleiter-Säulen T 1, T 2, T 3 und T 4, jeweils bestehend aus 12 Teilleitern, die gemeinsam in eine nicht näher dargestellte Kröpfschablone eingelegt waren und in dieser säulenweise, die aus den Fig. 2C bis 2F im einzelen dargestellten Kröpfungen erhalten haben. Betrachtet man in Fig. 2C beispielsweise den Teilleiter 12, so sieht man, daß er auf der Stablänge bei 360°-Verdrillung zunächst von Ebene e 1 drei Kröpfschritte nach Ebene e 4 abgebogen ist, anschließend einen Kröpfschritt in entgegengesetztem Sinne zur Teilleiterebene e 3, dann einen weiteren Kröpfschritt in gleichem Sinne zur Teilleiterebene e 2 und schließlich zurückkehrend um einen weiteren Kröpfschritt zur Teilleiterebene e 1, was durch vergleichende Betrachtung von Fig. 2B leicht verständlich ist. Entsprechende, jedoch räumlich phasenverschobene Abkröpfungen weisen auch die übrigen Teilleiter der Säule T 1 auf. Entsprechendes gilt für die Teilleiter-Säulen T 2 bis T 4 nach Fig. 2D bis Fig. 2F. Nachdem die einzelnen Teilleiter in der Kröpfschablone vorgebogen sind, können sie zu einer Teilleiter-Säule (T 1, T 2, T 3 oder T 4) vereinigt werden. Die einzelnen Teilleiter-Säulen werden, wie bereits geschildert, dann zum 4-Ebenenstab ineinandergeschoben und miteinander vereinigt, was aus Fig. 3A und 3B deutlich hervorgeht. Die Kröpfstellen sind in Fig. 2B sinngemäß zu Fig. 1D mit k 14, k 43, k 32 und k 21 bezeichnet, wobei die erste Indexzahl mit der Indexzahl der Ebene e 1 . . . e 4 übereinstimmt, aus der der jeweilige Teilleiter t kommt, und die zweite Indexzahl mit der Indexzahl der Ebene e 1 . . . e 4 übereinstimmt, in welchen der jeweilige Teilleiter t hinübergekröpft wird.

Fig. 3A zeigt die Oberseite des 4-Ebenen-Leiterstabes nach Fig. 2B bis 2F. Es ist ersichtlich, daß der jeweils obere Teilleiter der Ebene e 1 um 3 Teilleiterbreiten im Uhrzeigersinn abgekröpft wird (bei Betrachtung des Stabquerschnitters von seinem linken Ende aus) und dann in der Ebene 4 nach unten wandert. Unten angekommen, werden die jeweiligen Teilleiter um eine Teilleiterunterbreite zur Ebene e 3 abgekröpft, wandern diese Ebene nach oben und werden, oben angekommen, um eine weitere Teilleiterbreite zur Ebene e 2 hin abgekröpft und durchwandern diese Ebene von oben nach unten. Unten angekommen, werden die Teilleiter jeweils um eine weitere Teilleiterbreite zur Ebene e 1 hin abgekröpft, durchwandern diese Ebene von unten nach oben und gelangen bei einer 360°-Verdrillung wieder an ihren Ausgangsplatz (siehe auch die Ansicht der Stabunterseite nach Fig. 3B). Die Umbandelung des Teilleiter-Stab-Paketes ist in den Fig. 3A, 3B mit b bezeichnet. Es ist aus diesen Fig. auch ersichtlich, daß den einzelenen Teilleitern eine bestimmte Neigung a gegeben ist derart, daß sie bei einer 360°-Verdrillung und einem 4-Ebenenstab auf einem Viertel der Stablänge gerade die Stabhöhe h durchlaufen haben. Bei Betrachtung von Fig. 2A und 2B sowie 1A erkennt man, daß die Faltungsachse f bzw. die Faltungsebene ff des fiktiven 2-Ebenen-Roebelstabes r bei liegt. Diese Höhenlage ist auch durch die Beziehung m · gegeben, wenn man für m den Wert 1 einsetzt und für n den Wert 4, worin n die Ebenenzahl des herzustellenden Mehrebenen-Leiterstabes bedeutet (n = 4, 6, 8 . . ., n - 2, n) und wobei für m für eine Faltung der Wert 1 einzusetzen, bei zwei Faltungen der Wert 1 und der Wert 2, bei drei Faltungen die Werte 1, 2 und 3 usf. einzusetzen sind.

In bevorzugter Ausführungsform ist der 4-Ebenenstab nach Fig. 3A, 3B hinsichtlich der vom Nutenquerfeld und vom radialen Stirnkopfstreufeld erzeugten Spannung voll ausgeglichen, was bei dem geschilderten 4-Ebenenstab dann erreicht wird, wenn er in den beiden Wickelkopfbereich um jeweils 180° verdrillt ist (hier genügt eine Verdrillung zwischen zwei jeweils benachbarten Ebenen) und im Nutbereich um 540°, d. h. insgesamt um 900°. Fig. 4a zeigt dies für eine Teilleiterschleife im Aufriß, wobei erkennbar ist, daß die in den im Uhrzeigersinn orientierten Teilleiterschleifen induzierten Spannungen ⊖-Vorzeichen) und die in den im Gegenzeigersinn orientierten Leiterschleifen induzierten Spannungen (⊕-Vorzeichen) einander aufheben. Diese Spannungen werden bekanntlich durch das Nutenquerfeld induziert. L _w bedeutet Stab- bzw. Leiterlänge im Wickelkopfbereich, l bedeutet Stab- bzw. Leiterlänge im Nutbereich.

Fig. 4B zeigt in einer Draufsicht schematisch den Verlauf einer Teilleiterschleife bei 180°/540°/180°-Verdrillung für den 4-Ebenenstab, wobei ersichtlich ist, daß die vom radialen Stirnkopfstreufeld in den einzelnen Teilleiterschleifen induzierten Spannungen (⊖-Vorzeichen bei Uhrzeiger-Umlaufsinn der Teilleiter und ⊕-Vorzeichen bei Gegenzeigersinn der jeweiligen Teilleiterschleifenorientierung) einander aufheben, da ebenso wie in Fig. 4A die eingeschlossenen Flächen mit ⊕-Vorzeichen und diejenigen mit ⊖-Vorzeichen gleich groß sind.

Fig. 5A, 5B, 5C und 5D zeigen in entsprechender Darstellungsweise zu Fig. 1A, 1B, 1C und 1D einzelne Phasen bei Herstellung eines 6-Ebenenstabes, ausgehend von einem fiktiven 2-Ebenen-Roebelstab (Fig. 5A), der auf der Stabhöhe von 1/3 × h* und 2/3 × h* je einmal gefaltet wird (Faltungsachsen f 1 und f 2). Das Ergebnis ist ein 6-Ebenen-Leiterstab mit den Stabebenen e 1 bis e 6 und den Kröpfstellen k 14 bis k 21 (siehe Fig. 5D). Die Faltungen erfolgen gemäß Pfeilen gz 1 und gz 2 (siehe Fig. 5B) jeweils in Gegenuhrzeigerrichtung, die resultierende Stabhöhe h beträgt 1/3 der Stabhöhe h* des fiktiven Ausgangsstabes r, dessen durch Auseinanderziehen gewonnene Stabteilpakete mit r 1, r 2 und r 3 (Fig. 5B) bezeichnet sind. Aus Gründen der Vereinfachung hat hier der 6-Ebenenstab pro Stabebene lediglich drei Teilleiter; in der Praxis sind es wesentlich mehr, wie es Fig. 6A und 6B zeigen, wobei Fig. 6A der Fig. 5B und die Fig. 6B der Fig. 5D entspricht, jedoch mit dem Unterschied, daß der fertige 6-Ebenenstab zwölf Teilleiter pro Stabebene aufweist und dementsprechend der fiktive Ausgangsstab 3 × 12 = 36 Teilleiter pro Stabebene. Im einzelnen folgen 6 verschiedene Kröpfstellen

k 14 - k 45 - k 56 - k 63 - k 32 - k 21

bei einem 360°-Umlauf aufeinander (Fig. 6B).

Fig. 6C bis 6H zeigen wiederum die einzelnen Teilleiter-Säulen T 1 bis T 6, die mittels einer Kröpfschablone ihre in Umfangsrichtung weisenden Abkröpfungen erhalten haben. Bei Betrachtung des oberen Teilleiters 12 der Säule T 1 aus Fig. 6C in Verbindung mit Fig. 6B wird deutlich, daß der Teilleiter 12 zunächst um drei Teilleiterbreiten im Uhrzeigersinn zur Ebene e 4 (Kröpfstelle k 14) abgekröpft wird, die Ebene e 4 von oben nach unten durchläuft und - unten angekommen - im Gegenzeigersinn um eine Teilleiterbreite zur Ebene e 5 (Kröpfstelle k 45) abgekröpft wird, diese Teilleiterebene von unten nach oben durchläuft und - oben angekommen - im Uhrzeigersinn um eine weitere Teilleiterbreite zur Ebene e 6 (Kröpfstelle k 56) abgekröpft wird, diese Ebene von oben nach unten durchläuft und - unten angekommen - wiederum um drei Teilleiterbreiten im Uhrzeigersinn zur Ebene e 3 (Kröpfstelle k 63) abgekröpft wird, diese Ebene von unten nach oben durchläuft und - oben angekommen - im Gegenzeigersinn um eine Teilleiterbreite zur Ebene e 2 (Kröpfstellle k 32) abgekröpft wird, diese Ebene von oben nach unten durchläuft und - unten angekommen - im Uhrzeigersinn an der Kröpfstelle k 21 um eine weitere Teilleiterbreite zu einer Ausgangsebene e 1 abgekröpft wird und diese bis zu seiner Ausgangsposition von unten nach oben durchläuft. Hierbei ist eine 360°-Verdrillung zugrunde gelegt, d. h., jeder Teilleiter des 6-Ebenenstabes nimmt innerhalb des Stabpaketes St VI jede Höhenlage und jede Seitenlage ein.

Dies wird auch bei Betrachtung der Fig. 7A und 7B verdeutlicht, wobei Fig. 7A die Ansicht der Staboberseite und Fig. 7B die Ansicht der Stabunterseite zeigen und die Neigung der Teilleiter innerhalb des Stabpaketes wiederum mit α bezeichnet ist. Bei einer vergleichenden Betrachtungsweise der Fig. 7A und des oberen Teils der Fig. 6B bzw. der Fig. 7B und des unteren Teils der Fig. 6B wird die Verdrillung ohne weiteres verständlich. Mit b ist wiederum die Umbandelung des Stabpaketes bezeichnet, die als vorläufige Fixierung dient.

Die Herstellung des fertigen Stabpaketes St VI durch Übereinanderstapeln der vorgekröpften Teilleiter t zur jeweiligen Teilleiter-Säule T 1 bis T 6 und das Ineinanderschieben dieser Teilleiter-Säulen sind sinngemäß zu der anhand der Fig. 2C bis 2F beschriebenen auszuführen.

Fig. 8A, 8B und 8C zeigen die bevorzugte Ausführungsform eines voll ausgeglichenen, in seinem Nutbereich um 540° verdrillten 6-Ebenenstabes, wobei der fiktive Ausgangsstab nach Fig. 6A bereits um 540° verdrillt ist und der fertige 6-Ebenenstab dadurch entstanden gedacht werden kann, daß der 2-Ebenen-Roebelstab r nach Fig. 8a zweimal um die Faltungsachsen f 1 bzw. f 2, die bei 1/3 h* bzw. 2/3 h* liegen, gefaltet wird. Die repräsentative Leiterschleife nach Fig. 8A erhält dann die Form, die aus Fig. 8B ersichtlich ist, wo wiederum im Aufriß dargestellt ist, daß die einzelnen Teilleiterschleifen hinsichtlich der vom Nutenquerfeld erzeugten Spannungen über die Stablänge gesehen ausgeglichen sind, wie es die im Gegenuhrzeigersinn verlaufenden ⊕-Leiterschleifen und die im Uhrzeigersinn orientierten ⊖-Leiterschleifen verdeutlichen (vgl. hierzu die Darstellung nach Fig. 4A für einen 4-Ebenenstab). Fig. 8C zeigt in entsprechender Darstellung zu Fig. 4B die Draufsicht auf eine repräsentative Leiterschleife des 6-Ebenenstabes, der mehrere einander kreuzende Unterschleifen aufweist, wobei die im Uhrzeigersinn orientierten ⊖-Schleifen und die im Gegenzeigersinn orientierten ⊕-Schleifen in ihren Flächen gleich sind, so daß auch die vom radialen Stirnkopfstreufeld induzierten Spannungen aufgehoben werden.

Die Fig. 9A, 9B, 9C und 9D zeigen wiederum in vereinfachter, schematischer Darstellung entsprechend zu der Darstellung nach den Fig. 1A bis 1D die Herstellung eines 8-Ebenenstabes St VIII (Fig. 9D), ausgehend von einem fiktiven, als 2-Ebenen-Roebelstab ausgebildeten Ausgangsstab r, der die Stabhöhe h* und die beiden Teilleiterebenen I und II mit Teilleitern 1 bis 12 bzw. 13 bis 24 aufweist. Um die Faltungsachse f 1 erfolgt die Faltung im Uhrzeigersinn gemäß Pfeil uz und um die Faltungsachsen f 2 und f 3 im Gegenzeigersinn gemäß Pfeilen gz 1 und gz 2. Der fertige 8-Ebenenstab St VIII weist acht Ebenen e 1 bis e 8 auf und dementsprechend acht Kröpfstellen k 12 bis k 41. Wie erwähnt, dienen die schematisierten Fig. 9A bis 9D dem besseren Verständnis; in der Praxis wird natürlich kein 2-Ebenen-Roebelstab nach Fig. 9A als Ausgangsstab benutzt, vielmehr werden - wie bereits anhand der Herstellung des 4-Ebenen und des 6-Ebenenstabes erläutert - die einzelnen Teilleiter-Säulen T 1 bis T 8 (nicht dargestellt) durch Abkröpfen der einzelnen Teilleiter innerhalb einer Kröpfschablone und anschließendes Zusammenfügen erzielt. Da ein 8-Ebenen-Leiterstab bei Verdrillung um 360° nicht voll ausgeglichen ist, wird wiederum in bevorzugter Ausführungsform so, wie anhand des 4-Ebenenstabes erläutert, eine Verdrillung von je 180° in den beiden Wickelkopfbereichen und um 540° im Nutbereich vorgenommen, so daß dann dieser 8-Ebenenstab hinsichtlich der vom Nutquerfeld und vom radialen Stirnkopfstreufeld induzierten Spannungen voll ausgeglichen ist. Im einzelnen ist die Reihenfolge der Kröpfstellen bei einem 360°-Verdrillungsumlauf:

k 12 - k 23 - k 36 - k 67 - k 78 - k 85 - k -54 - k 41

(Fig. 9D).

Die Fig. 10A, 10B und 10C schließlich zeigen in einer den Fig. 1A, 1B und 1D entsprechenden Darstellungsweise die Entstehung eines 10-Ebenenstabes, ausgehend von einem 2-Ebenen-Roebelstab r mit den beiden Ebenen I und II und den Teilleitern 1 bis 15 in der Ebene I und 16 bis 30 in der Ebene II und mit den Faltungsachsen f 1 bis f 4 sowie mit den einzelnen Stabteilpaketen r 1 bis r 5. Fig. 10B zeigt die einzelnen Kröpfstellen, die zusätzlich zu den Kröpfstellen k 1 und k 2 durch das Auseinanderziehen erhalten werden, nämlich die Kröpfstellen k 3 bis k 10, und zeigt auch die Faltungsrichtung uz 1 und uz 2 für die Teilleiterpakete r 1 bzw. r 5 und gz 1 bzw. gz 2 für die Teilleiterpakete r 2 bzw. r 4. Das Ergebnis ist der 10-Ebenen-Leiterstab St X mit den Ebenen e 1 bis e 10 und den einzelnen Kröpfstellen k 12 bis k 41. Auch in bezug auf diesen 4-Ebenenstab gilt für die praktische Herstellung das bereits zum ersten und zum zweiten Ausführungsbeispiel (4-Ebenen- und 6-Ebenenstab) Gesagte.

Es versteht sich, daß bei den vorstehend geschilderten vier Ausführungsbeispielen, wie auch bei Mehrebenen-Leiterstäben mit mehr als 10 Leiterebenen, die Teilleiter zum Zwecke der Flüssigkeitskühlung, zumindest zu einem Teil, bezogen auf die Gesamtteilleiter-Anzahl, als Hohlteilleiter ausgeführt werden können, wobei die Hohlteilleiter untereinander und - bei Vorhandensein von Massivteilleitern, also bei einem sogenannten Mischstab - auch mit den Massivteilleitern verdrillt sein können. Hierbei besteht eine bevorzugte Ausführungsform darin, daß die Hohlteilleiter insbesondere zur Wärmeabfuhr benutzt werden und weniger oder praktisch nicht zur Stromleitung (diese wird von den Massivteilleitern übernommen), wobei dann die Hohlteilleiter aus einem Metall geringerer Leitfähigkeit als die Massivteilleiter gefertigt werden. So bestehen insbesondere die Massivteilleiter aus Kupfer und die Hohlteilleiter aus Stahl, was auch den Vorteil hat, daß sie bei gegebenem hydraulischen Durchmesser eine ausreichende mechanische Stabilität aufweisen, die sie in die Lage versetzt, ohne Beeinträchtigung der mechanischen Stabilität mit den Kröpfstellen versehen zu werden und auch hinreichende Stabilität gegen Schwingungen innerhalb des Stabpaketes aufzuweisen. Auf diese Weise können die durch die Hohlteilleiter fließenden Wirbelströme auf vernachlässigbar kleinen Werten gehalten werden; jedenfalls läßt sich bei gegebenem hydraulischen Durchmesser und gegebenem Querschnitt der Hohlteilleiter eine Optimierung hinsichtlich ihres spezifischen Widerstandes derart durchführen, daß die Wirbelstromverluste über den Stabgesamtquerschnitt gesehen ein Minimum werden, wie dies an sich durch die DE-PS 10 48 335 bekannt ist.

In Fig. 8A ist die axiale Länge des Nutteils des Wicklungsstabes mit l und seines Wickelkopfteiles mit l _w bezeichnet, wobei - wie ersichtlich - im Nutteil eine 540°-Verdrillung mit jeweils einem 180°-Umlauf auf 1/4 l, 1/2 l und 1/4 l durchgeführt ist. Die axiale Länge l _w des Wickelkopfteiles ist mit jeweils 1/2 l _w auf die beiden Stabenden aufgeteilt. Dies gilt sinngemäß auch für das in Fig. 4A, 4B dargestellte Ausführugsbeispiel.

Claims (5)

1. Mehrebenen-Leiterstab für elektrische Maschinen, insbesondere für Turbogeneratoren, dessen Teilleiter in mindestens 4 umfangsmäßig nebeneinanderliegenden Ebenen radial übereinanderliegend angeordnet und um mindestens 360°C verdrillt sind, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• a) die Anzahl n<4 der Teilleiter-Ebene n ist geradzahlig;
• b) der Mehrebenen-Leiterstab mit n<4 Teilleiter-Ebenen weist eine stablängenabhängige Transposition seiner Teilleiter in Höhenrichtung und in Querrichtung des Stabes auf, welcher das folgende Bildungsgesetz zugrunde gelegt ist:
  • b1) ein Zweiebenen-Roebelstab wird als fiktiver Ausgangsstab um Faltungsachsen der Anzahl f = -1 gefaltet, welche Faltungsachsen über seine Stabhöhe verteilt sind;
  • b2) die jeweilige Höhenlage h der Faltungsachsen der Anzahl f ist durch die Beziehung h = m definiert, wobei gilt < m = 1, 2, 3 . . . m -1, m und wobei
    h* die Stabhöhe des Zweiebenen-Roebelstabes bedeutet;
  • b3) die Faltung ist so durchgeführt, daß
    • b31) bei einem Sechsebenenstab die 360°C-Transpositionsfolge durch die Beziehung ± e 1 → ∓ e 4 → ± e 5 → ∓ e 6
      → ± e 3 → ∓ e 2 → ± e 1mit der zugehörigen Kröpfschrittfolge in Stabquerrichtungk 14 = 3; k 45 = 1; k 56 = 1;
      k 63 = 3; k 32 = 1; k 21 = 1gegeben ist, daß dementsprechend
    • b32) bei einem Achtebenenstab die 360°-Transpositionsfolge durch die Beziehung ± e 1 → ∓ e 2 → ± e 3 → ∓ e 6 → ± e 7
      → ∓ e 8 → ± e 5 → ∓ e 4 → ± e 1mit der zugehörigen Kröpfschrittfolge in Stabquerrichtungk 12 = 1; k 23 = 1; k 36 = 3; k 67 = 1;
      k 78 = 1; k 85 = 3; k 54 = 1; k 41 = 3gegeben ist
      u. s. f., wobei bedeutet:
      enmit der Indexzahl n = 1, 2, 3 . . . n die betreffende Teilleiterebene des Mehrebenen-Leiterstabes, + enein Durchwandern dieser Teilleiterebene von unten nach oben, - enein Durchwandern dieser Teilleiterebene von oben nach unten und k pqmit den Indexzahlen p = 1, 2, 3 . . . p und q = 1, 2, 3 . . . q den jeweiligen Kröpfschritt in Teilleiterbreiten beim Wechseln eines Teilleiters von einer Teilleiterbene en mit der Indexzahl n = p in die nächstfolgende Teilleiterebene en mit der Indexzahl n = q.
      

2. Mehrebenen-Leiterstab nach Anspruch 1, mit 6 Teilleiter-Ebenen, dadurch gekennzeichnet, daß er zwecks vollständigen Ausgleichs der vom Nutenquerfeld und dem radialen Stirnkopfstreufeld induzierten Spannungen im Nutbereich um 540°C verdrillt ist.

3. Mehrebenen-Leiterstab nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß seine Teilleiter zum Zwecke der Flüssigkeitskühlung zumindest zu einem Teil, bezogen auf die Gesamtteilleiter-Anzahl, als Hohlteilleiter ausgeführt sind, wobei die Hohlteilleiter untereinander und - bei Vorhandensein von Massivteilleitern - auch mit letzteren verdrillt sind.

4. Verfahren zur Herstellung eines Mehrebenen-Leiterstabes nach Anspruch 1, mit n <4 Ebenen und t Teilleitern je Ebene, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von der durch den Stabanfang gelegten Stabquerschnittsebene die Leiter der jeweiligen Ebene (e 1, e 2 . . ., en-1, en) jeweils in eine Kröpfschablone eingelegt und mit ihrer endgültigen Lage im fertig verdrillten Mehrebenen-Leiterstab entsprechenden Kröpfungen versehen werden, daß die abgekröpften Teilleiter der jeweiligen Ursprungsebene (e 1, e 2 . . ., en-1, en) zu je einer Teilleiter-Säule übereinander geschichtet werden und daß schließlich die einzelnen Teilleiter-Säulen ineinander geschoben und zum kompletten Mehrebenen-Leiterstab miteinander verbunden werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die Anwendung auf die Herstellung von Vierebenen-Leiterstäben.