DE3202958C2 - Dreiphasige Wicklung in Stern-Dreieck-Mischschaltung für eine elektrische Maschine - Google Patents

Abstract

Bei einer gesehnten dreiphasigen Wicklung in Stern-Dreieck-Mischschaltung für Ständer oder Schleifringläufer einer elektrischen Maschine sind zur Verringerung der Oberwellenanteile und der Kupferverluste die inneren Wicklungsabschnitte durch Ausgleichsleiter in Dreieckschaltung verbunden, an die jeweils zwei parallele, gegenüber den Dreiecksabschnitten um 30 ° el versetzte, mit den Klemmen verbundene äußere Wicklungsabschnitte sternförmig angeschlossen sind. Die räumliche Aufteilung der Wicklungsabschnitte ist dabei so vorgenommen, daß sich innerhalb jeden Polpaares eine zwölfzonige Wicklungsanordnung ergibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine dreiphasige Wicklung in Stcrn-Drcieck-Mischschaltung fiir eine elektrische

Maschine mit einem ersten Wicklungsteil aus drei im Dreieck geschalteten Wicklungsabschnitten und einem

zweiten Wicklungsteil aus drei sternartig an den ersten Wicklungsteil angeschlossenen Abschnitten, deren freie

Enden mit den Anschlußklemmen verbunden sind, wobei die einzelnen Abschnitte der beidec Wicklungsteile innerhalb jedes Polpaares zwölfzonig verteilt und um 30° el gegeneinander versetzt angeordnet sind.

Eine solche Wicklung ist aus der EP-OS 0 18 835 bekannt, die zur Verminderung des Oberwellengehaltes der Felderregerkurve bei polamplitudenmodulierten, polumschaltbaren Dreiphasenwicklungen axakt angepaßte Windungszahlen zur Vermeidung von Ausgleichströmen benötigt und dementsprechend große Nutenzahlen und/oder viele Leiter pro Nut voraussetzt.

Weder bei dieser, noch bei anderen bekannten Mischschaltungen (»Conti-Elektro-Berichte« 1965, Seiten 212 bis 215; Proc. IEE 117 [1970], Seiten 1657 ff., DE-PS 9 49 896) ist eine Verkleinerung der Kupferverluste angestrebt.

Die Schleifringläufer von Asynchronmotoren größerer Leistung sind im allgemeinen mit dreiphasigen ungesehnten Stabwicklungen versehen, um zur besseren Ausnutzung der Maschine einen möglichst hohen Wicklungsfaktor ί zu erhalten.

bei gesehnten Stabwicklungen (Stab-Wellenwicklungen) kann die Spulenweite W nur auf einer Stirnseite verkürzt werden, dagegen muß sie auf der anderen Stirnseite um den gleichen Betrag vergrößert werden. Zur Vermeidung unterschiedlicher Wickelkopf-Ausladungen werden daher Stab-Wellenwicklungen mit unterschiediichen Zonenbreiten für den vorlaufenden und den rücklaufenden Wicklungsteil ausgeführt (Sequenz »Die Wicklungen elektrischer Maschinen« Bd. 1 »Wechselstrom-Ankerwicklungen«, Springer-Verlag Wien 1950). Daher bleibt die gesamte Leiterlänge und damit auch der Wicklungswiderstand trotz Sehnung unverändert, jedoch erhöht sich bei unveränderter Leistung der Strom reziprok zu der mit dem Sehnungsfaktor

ζ_Λ = sin (W/t nil) (Gl. D

verminderten Spannung, so daß sich die leistungsbczogenen Kupferverluste in Abhängigkeil vom Schnungsl'aktor erhöhen gemäß

V_n. __ ΛΙ.Υ

(GI. 2)

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dreiphasige Wicklung der eingangs genannten ArI zu schal-

fen, die sowohl einen verminderten Oberwellengehait der Felderregerkurve als auch verringerte Kupferverluste aufweist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch die Maßnahmen nach dem Kennzeichen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele und weitere Einzelheiten der Erfindung angegeben und nachfolgend näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 Zonenplan einer ungesehnten sechszonigen Dreiphasenwicklung,

Fig. 2 das dazugehörige Durchflutungspolygon (gleichseitiges Sechseck),

Fig. 3 Zop.snplan einer 5/6gesehnten sechszonigen Dreiphasenwicklung,

Fig. 4 das zu Fig. 3 und 6 gehörige Durchflutungspolygon {ungleichseitiges Zwölfeck), Fig. 5 die zu den Wicklungen nach Fig. 1 und 3 gehörige Phasenlage des Stromsystems,

Fig. 6 Zonenplan einer ungesehnten zwölfzonigen Dreiphasenwicklung,

Fig. 7 Zonenplan einer ll/12gesehnten zwölfzonigen Dreiphasenwicklung,

Fig. 8 das zu Fig. 7 gehörige Durchflutungspolygon (ungleichseitiges Vierundzwanzigeck),

Fig. 9 die zu den Wicklungen nach Fig. 6 und 7 gehörige Phasenlage des Stromsystems,

Fig. 10 Sehnungsabhängigkeit auf der herkömmliche Zweischichtwicklungen bezogenen Kupferverluste von Stern-Dreieck-Mischschaltungen als Siab-Wellenwicklung bzw. Zweischicht-Drahtspulenwicklung,

Fig. 11 Zonenplan und räumliche Spulenverteilung eines Stranges sowie der insgesamt notwendigen Schaltvcrbindungen einer 4poligen Stab-Wellenwicklung für N = 72 Nuten (N/p = 36),

Fig. 12 Nutenstern der Wicklung nach Fig. 11, Fig. 13 Schaltbild der Wicklung nach Fig. 11,

Fig. 14 Görgespolygone der in Tabelle 1 zusammengestellten 12/18- bis 18/18gesehnten Wicklungen für N/p = 36,

Fig. 15 bis 18 Görgespolygone der in Tabelle II zusammengestellten Stern-Dreieck-Mischschaltungen bei Spulengruppierungen 1-10-1; 2-8-2; 3-6-3 und 4-4-4 jeweils für Spulenschrittweiten 1-5 bis 1-19 für N/p — 36,

Fig. 19 räumliche Spulenanordnung einer ll/12gesehnten zwölfzonigen Zweischichtwicklung mit Zonenplan nach Fig. 7 fiir Λ' = 48 Nuten,

F i g. 20 und 21 effektive Strangwindungszahlen einer Stem-Dreieck-Mischschaltung mit einheitlichen Spulen sowie für Sternzweige mit abweichenden, angepaßten Spulen und jeweils hälftiger Spulenaufteihmg entsprechend Tabelle III,

Fig. 22 bis 25 Spulenanordnungen von 4poligen, ungesehnten, zwölfzonigen Einschichtwicklungen für N = 48 Nuten analog zu Fig. 6, wobei

Fig. 22 und 23 mit paarweise benachbart bzw. verteilt angeordneten konzentrischen Spulengruppen

Fig. 24 mit gleichmäßig verteilten Einzelspulen (Korbwicklung) sowie

Fig. 25 als Zweietagenwicklung mit gekreuzten Spulenköpfen ausgeführt sind.

Ausgehend von einer üblichen sechszonigen, ungesehnten, dreiphasigen Zweischichtwicklung mit einem Zonenplan nach Fig. 1, einem gleichseitigen sechseckigen Durchflutungspolygon nach Fig. 2 und einem zugehörigen Stromsystem mit der Phasenlage nach F i g. 5 kann durch eine 5/6-Sehnung gemäß F i g. 3 ein zwölfe-_v'kiges Durchfiutungspolygon nach F i g. 4 erhalten werden, das gegenüber dem der ungesehnten Zweischichtwicklung nach l-ig. 1 und 2 einen verringerten Oberwellengehalt aufweist, jedoch entsprechend den Gleichungen (1) und (2) um rund 7% höhere Kupferverluste gegenüber der erstgenannten Wicklung aufweist.

Bei der Zweischichtwicklung nach Fig. 3 überlappen sich die in Oberschicht OSund Unterschicht i/Sjeweils mit 60° el Phasenverschiebung aufeinanderfolgenden Wicklungszonen jeweils abwechselnd in den Überlappungszonen 1 und II mit der durch die Spulenweite (^festgelegten Zonenbreite ε für die Überlappungszone II (Gl. 3).

In der Überlappungszone II beträgt die resultierende Nutdurchflutung gegenüber der Nutdurchflutung der in Oberschicht und Unterschicht gleichphasig stromdurchflossenen Spulenseiten der Überlappungszone I nur das

-^- = 0,866fache und ist gegenüber dieser um 30° el phasenverschoben. Dadurch ergibt sich bei gleicher Phasenlage nach Fig. 5 das zwölfeckige Durchführungspolygori nach Fig. 4 mit dan Polygonseitenlängen 1 und II.

Ein zwölfeckiges Durchfiutungspolygon nach Fig. 4 kann auch mit einer ungesehnten zwölfzonigen Zweischichtwicklung nach Fig. 6 erhalten werden, wenn diese mit einem Stromsyste.m mit der Phasenlage nach F i g. 9 gespeist wird. Dieses Stromsystem besteht aus zwei gegeneinander um 30° el phasenverschobenen Teilsystemen Ui, V_x. W_x und U₁, V₁, W₁, deren Amplituden sich wie 1 : -/3/2 verhalten.

Bei einem solchen Stromsystem nach Fig. 9 kann gemäß Fig. 7 durch eine ll/12gesehnte Zweisshichtwicklung auch ein vierundzwanzigeckiges Durchflutungspolygon mit entsprechend verringertem Oberwellengchalt nach Fig. 8 erhalten werden.

Bei durchwegs einheitlichen Spulen treten im zweiten Teilsystem U₂, V₁, W₇ wegen der auf das i/JTIfache herabgesetzten Ströme nur 75 % der in den Spulen des ersten Teilsystems U_x, U₁, U₃ vorhandenen spezifischen Verluste auf, so daß sich bei der ungesehnten zwölfzonigen Zweischichtwicklung nach Fig, 6 gegenüber der vergleichbaren 5/6gesehnten sechszonigen Zweischichtwicklung nach Fig. 3 geringere Kupferverluste ergeben,

W
deren relative Größe in Abhängigkeit von der Sehnung —

(Gl. 4)

beträgt. Diis erste Teilsystem (/,, V_x, W_x bildet je Pol Umfangszonen der Breite r- 3 c mit vollen Verlusten, das /.weite Teilsystem U₂, V_:, W_: Umfangszonen mit der Breite 3 ε mit dreiviertel Verlusten.

Eine solche zwölfzonige Zweischichtwicklung kann mit einheitlichen Spulen in relativ einfacher Weise nach

Fig. 10 (Mitte) als Stern-Dreieck-Mischschaltung mit einem in Dreieck geschalteten inneren Wicklungslei I und zwei an jedem Eckpunkt angeschlossenen parallelen Sternzweigen gebildet werden, die im Unterschied zu den üblichen Dreieckschaltungen Fig. 10 (rechts) lediglich drei zusätzliche Ausgleichsverbindungen und eine abgeänderte Reihenfolge des Aneinanderfügens der einzelnen Spulen erfordern.

Im Vergleich zu einer herkömmlichen sechszonigen Zweischichtwicklung in Dreieckschaltung mit verschieden gesehnten Spulen im Bereich W/t - \ ... 2/3 können gemäß Fig. 10 (unten) bei einer zwölfzonige η Stabwicklung durch die vorgenannte Stern-Dreieck-Mischschaltung mit ungesehnten Spulen verminderte relative Kupferverluste (nach Gl. 4) erhalten werden, die von dem Wert I beim Grenzfal! einer unveränderten reinen Dreieckschaltung Fig. 10 (rechts) bei W/r = 1 bis auf den Wert 0,75 beim anderen Grenzfall einer reinen Doppelsternschaltung Fig. 10 (links) für W/r ~ 2/3 linear mit der Sehnung der sechszonigen Vergleichswicklung abnehmen. Gegenüber einer herkömmlichen in Dreieck geschalteten Wellenwicklung wird dabei nur die Zuordnung der Spulen zu den einzelnen Wicklungsteilen verändert (andere Spulenfolge) und es sind drei zusätzliche Ausgleichsverbindungen vorzusehen.

Bei Zweischicht-Drahtspulenwicklungen in Stern-Dreieck-Mischschaltungen ist die bei zwölfzoniger Ausführung erzielbare Kupferverlustminderung geringer, da hier Durchmesserspulen notwendig sind, deren mittlere Leiterlänge /„. im Gegensatz zu der Stab-Wellenwicklung vergrößert werden muß. Die größere mittlere Leiterlänge /„ bedingt einen erhöhten Kupferbedarf (siehe folgende Gl. 8 und 9) und einen entsprechend erhöhten ohmschen Wicklungswiderstand.

Die mittlere Leiterlänge /„ setzt sich aus der sehnungsproportionalen Spulenkopflange /, und einem konstanten Längenanteil /_; entsprechend

H A-, ^) (Gl. 5)

zusammen, wobei das Verhältnis beider Längenanteile durch den für ungesehnte Spulen (W/r = 1) geltenden Faktor

A-, = l/U (Gl. 6)

bestimmt ist.

Für solche ungesehnten zwölfzonigen Zweischicht-Drahtspulenwicklungen in Stern-Dreieck-Mischschaltungen ergibt sich gegenüber der besagten sechszonigen Vergleichswicklung in Dreieckschaltung eine Reduzierung der Kupferverluste gemäß

^1+A'· (Gl. 7)

In F ig. 10 sind für verschiedene Werte der relativen Stirnverbindungslänge A-, "0,5; 0,75,1 und 1,5 die Kupferverlustverhältnisse solcher ungesehnterZweischicht-Drahtspulenwicklungen in Stern-Dreieck-Mischschaltung in Abhängigkeit von der Sehnung der in Dreieck geschalteten Vergleichswicklungen angegeben.

Die prozentuale Differenz zwischen den Kurven in Fig. 10 (unten) für die Kupferverluste bei Stab-Wellenwicklungen und den Kupferverlusten bei Zweischicht-Drahtspulenwicklungen nach der Erfindung entspricht dem erforderlichen Mehraufwand an Kupfer für Drahtspulenwicklungen mit Durchmesserspulen, der durch

AGcu „ 1+A, _{(G| 8)}

Gcu W

wiedergegeben wird.

Als detailliertes Ausführungsbeispiel ist nachfolgend eine 4polige zweischichtige ungesehnte Stab-Wellenwicklung nach den Fig. 11 bis 13 erläutert. Der in Fig. 11 und 12 dargestellte Wicklungsstrang besteht aus vier Spulengruppen a, b. cund d mit je drei Spulen, die räumlich in gleicher Weise verteilt sind wie bei einer hcrkömmlichen 5/6gesehnten Zweischichtwicklung in Dreieckschaltung. Zur Erzielung gleicher Spulenweiten W = r = 18 Nutteilungen auf beiden Stirnseiten sind neun Spulen beim vorwärtsdurchlaufenden Wellenzug mit den Spulengruppen d, b. α und drei Spulen beim rückwärtsdurchlaufenden Wellenzug mit der Spulengruppe c vorgesehen. In den Nuten I, 2,3 sind z. B. die Oberseiten der Spulengruppe b und in den Nuten 4, 5,6 die der Spulengruppe α eingelegt. Beginnend an der Klemme i/mit der in Nut 6 führenden Oberschichtspulenseite werden die Spulengruppen α und b durchlaufen. Nach der letzten Spule der Spulengruppe b ist von derUnterschicht der Nut 55 kommend der vorwärtsdurchlaufende Wellenzug unterbrochen und um zwölf Nuten versetzt, unterschichtseiüg in Nut 1 beginnend der gegensinnige Wellenzug mit der Spulengruppe c eingefügt, nach deren letzter Spule - Oberschicht Nut 21 - wiederum um zwölf Nuten versetzt und in Oberschicht Nut 72 beginnend die Spulengruppe ^ angeschlossen ist. Diese Anordnung wiederholt sich für die beiden anderen Stränge in analoger

Zur Bildung des in Dreieck geschalteten inneren Wicklungsteils mit den Spulengruppen b und cje Strang sind gemäß Fig. II und 12 Anzapfungen (/,, V₁, W_x zwischen den Spulengruppen a und Asowie .V₁, K₁,Z₁, /wischen den Spulengruppen rund t/angeordnet und die Klemmen V\-Z_u V\~X\ ^und W₁-Y₁ durch je einen Ausgleichs-

leiter A,,, Ay, A_w miteinander verbunden. Die Spulengruppen α und d benachbarter Stränge bilden auf diese Weise jeweils zwei parallele Sternzweige der Mischschaltung.

In Tabelle I sind für herkömmliche Zweischichtwicklungen in Dreieckschaltung für /V = 72 Nuten und 4poligcr Ausführung (N/p = 36 Nuten je Polpaar) mit verschiedenen Sehnungen und verschiedener Aufteilung der /wolf Spulengruppen von 6 + 6, 7 + 5 usw. bis 12 + 0, die zugehörigen Wicklungsfaktoren { und Oberwellenslrcufaktoren a₀ sowie die von der Sehnung leistungsbezogenen Kupferverluste nach Gl. 2 systematisch zusammengestellt und mit den bei verschiedenen Spulengruppenaufteilungen bei unveränderten Oberwellenanteilen (gleiches Durchflutungspolygon) erzielbaren Minderungen der Kupferverluste durch erfindungsgemäße Stern-Dn-iCck-Mischschaltungen verglichen.

Bei jeweils unveränderter Durchflutungsverteilung (gleiches Durchflutungspolygon, gleicher Oberwellengehalt) können mit der Stern-Dreieck-Mischschaltung die Kupferverluste mit zunehmender Sehnung bis maximal

w
25% bei— = 2/3 im Grenzfall der reinen Doppelsternschaltung Fig. 10 (links) verringert werden.

In Fig. 14 sind die zugehörigen Durchflutungspolygone der verschieden gesehnten Wicklungen nach Tabelle 1 aus Symmetriegründen jeweils nur für einen 120°-Sektor der 6achsig symmetrischen Polygone dargestellt. Die in Tabelle I genannten Oberwellenstreufaktoren

O₀ = \/!² ■ Σ (0 (Gl. 10)

lassen sich aus den polaren Trägheitsmomenten f_p„ I_n,... I_M der g-Polygonpunkte eines Symmetriesektors des 20 | Durchflutungspolygons in geschlossener Form zu sj

a_a - -¹ "—zi ^ - 1 - [-*) - I (Gl. U)

q · K \ K /

bestimmen, wobei R₁, den mittleren Trägheitsradius des Polygons und

R = — · — (Gl. 12)

P π

den Trägheitsradius des Grundwellenkreises der Zweischichtwicklung bedeuten.

Anhand der F i g. 7 und 8 ist schon dargelegt worden, daß sich bei einer zwölfzonigen Wicklung durch Schrittverkürzung, d. h. durch Sehnung der Spulen, vierundzwanzigeckige Durchflutungspolygcne mit weiter verringerter Oberwelligkeit erzielen lassen, bei denen allerdings die leistungsbezogenen Kupferverluste gemäß Gl. 2 schnungsabhängig ansteigen.

Ausgehend von der Tabelle I und den Durchflutungspolygonen nach Fig. i5 sind in der Tabelle 11 für unterschiedlich gesehnte Stern-Dreieck-Mischschaltungen die Wicklungsfaktoren, Oberwellenstreufaktoren und die relativen Kupferveriuste bei verschiedenen Spulenaufteilungen 1-10-1 bis 4-4-4 und Spulenschritten (1 -19) bis (1-15) angegeben sowie in den Fig. 15 bis 18 die zugehörigen Durchflutungspolygone dargestellt. In der Spalte A der Tabelle II sind die Kupferverluste der Stern-Dreieck-Mischschaltungen auf eine herkömmliche -to ungesehnte sechszonige Wicklung in Dreieckschaltung (= 100%) und in Spalte B aul herkömmliche äquivalente Wicklungen gemäß Tabelle I bezogen, die bei der Stern-Dreieck-Mischschaltung mit Spulenschritt (1-19) identische, zwölfeckige Durchflutungspolygone ergeben, wobei diese »äquivalenten Wicklungen« je nach Spulenaufteilung nur die 23/24-, 11/12-, 7/8- und 5/6fachen Kupferverluste einer herkömmlichen Ausführung aufweisen.

Entsprechend den Angaben in Tabelle I lassen sich die Oberwellenstreufaktoren a₀ vom Höchstwert σ,, = 5,16 · 10~³ bei einer ungesehnten sechszonigen Wicklung in Dreieckschaltung auf einen Kleinstwert σ,, = 2,93 · 10"³ bei einer 5/6gesehnten sechszonigen Dreieckwicklung bzw. einer im Aufteilungsverhältnis 3-6-3 gruppierten letztgenannten äquivalenten ungesehnten zwölfzonigen Wicklung in Stern-Dreieck-Mischschaltung beträchtlich reduzieren.

Entsprechend Tabelle II ist bei den gesehnten Stern-Dreieck-Mischschaltungen abhängig von den verschiedenen Spulenaufteilungen durch Verkürzung der Spulenschritte von (1-19) auf (1-16) bei der Spulenaufteilung (2-8-2) oder (4-4-4) bzw. (1 -17) bei der Spulenaufteilung (3-6-3) nur eine verhältnismäßig gering erscheinende weitere Minderung der Oberwellenstreufaktoren bis auf den geringsten Wert σ₀ = 2,66 · 10"³ möglich. Dabei ist aber zu bedenken, daß man hiermit dem theoretisch möglichen Minimalwert des Oberwellenstreufaktors

⁶⁰ 1

schon sehr nahe kommt, der für das Beispiel N/p = 36 nur a_omin = 2,542 · 10"³ beträgt. |

Wie aus Tabelle II weiterhin ersichtlich ist, können bei verschiedenen Spulengruppierungen und Spulen- £

schritten identische Wicklungsfaktoren ζ und identische Oberwellenstreufaktoren σ₀, d. h. identische Durchflu- ^:

tungspolygone erhalten werden. Aufgrund der niedrigeren Kupferverluste sind z. B. 65 '%

ζ = 0,9200 und σ₀ = 2,73 · 10~³ sowohl mit Grupperung 1-10-1 und Schritt 1-16 als auch mit Gruppierung -

3-6-3 und Schritt 1-18 I

ζ = 0,9095 und σ_η - 2,G6 · 10"' sowohl mit Gruppierung 2-8-2 und Schritt 1-16 als auch mit Gruppierung 3-6-3 und Schritt 1-17

(F = 0,8951 und n₀ = 2,86 · 10"·' sowohl mit Gruppierung 1-10-1 und Schritt 1 -15 als auch mit Gruppierung 4-4-4 und Schritt 1-18

I= 0,8848 und a_ü = 2,68 ■ 10"¹ sowohl mit Gruppierung 2-8-2 und Schritt 1-15 als auch mit Gruppierung 4-4-4 und Schritt 1-17

und von dLsen jeweils die zuletzt genannten Spulengruppierungen mit der geringeren Spulenzahl für den in Dreieck geschalteten inneren Wicklungsteil vorzuziehen. Selbst bei den oberwellenärmsten Varianten ergeben

ίο sich hiermit noch geringere Kupferverluste als bei einer ungesehnten Wicklung in Dreieckschaltung.

Bei der in Fig. 19 gezeigten ll/12gesehnten zwölfzonigen, 4poligen Zweischichtwicklung für/V = 48 Nuten (N/p = 24) entsprechend dem Zonenplan Fig. 7 mit konzentrischen Doppelspulen gehören die Doppelspulen abwechselnd dem inneren und dem äußeren Wicklungsteil an. Anstatt konzentrischer Doppelspulen können auch ausschließlich Spulen gleicher Weite vorgesehen sein.

Bei dieser Stern-Dreieck-Mischschaltung mit Doppelspulen und einer mittleren Spulenweite von 11 Nutteilungen ergibt sich ein vierundzwanzigeckiges Durchflutungspolygon gemäß Fig. 8, dessen Seitenlängen in den Abschnitten I, II, III sich wie

1.80J: 1,732

verhalten.

Bei Drahtspulenwicklungen können die Spulen der beiden Wicklungsteile hinsichtlich Windungszahl und Drahtquerschnitt unterschiedlich ausgeführt sein, um trotz der unterschiedlichen Ströme gleiche Durchflutungen und Stromdichten in sämtlichen Spulenseiten zu erhalten, beispielsweise durch Erhöhung der Windungszahl in den äußeren Sternzweigspulen im Verhältnis 2/VT <=* 1,155 (reziprok zu den Zweigströmen) und Verringerung der betreffenden Querschnitte auf das -/JTT « 0,866fache.

Bei der Wicklung nach Fig. 19 mit einheitlichen Wicklungsspulen und hälftiger Spulenaufteilung auf die beiden Wicklungsabschnitte beträgt die gesamte Windungszahl W₁₁,, = (2 + -/T) ■ w_A, wie es in F i g. 20 dargestellt ist. Bei in genannter Weise angepaßten Spulen in beiden Wicklungsteilen erhöht sich die wirksame Windungszahl auf λ·_ϊπ = 4 Wj entsprechend Fig. 21.

Die charakteristischen Wicklungseigenschaften der beiden vorgenannten Varianten sind in Tabelle III gegenübergestellt.

Bei derart angepaßten Sternzweigspulen ergibt sich als Vorteil eine gleichmäßige Aufteilung der Verluste auf beide Wicklungsteile sowie ein noch geringerer Oberwellengehalt der Durchflutung. Bei ungesehnten Spulen erhält man ein gleichseitiges Zwölfeck als Durchfuhrungspolygon. Bei 11/12-Sehnung hat das vierundzwanzigeckige Durchflutungspolygon im Gegensatz zu F i g. 8 nur zwei unterschiedliche Seitenlängen, da die Seitenlängen I und III dann gleich sind. Die beiden Seitenlängen I und II unterscheiden sich mit 2 :2cos 15° = 2 :1,932 nur mehr geringfügig, so daß der Oberwellengehalt dem bestmöglichen Fall mit einem gleichseitigen vierundzwanzigeckigen Durchflutungspolygon sehr nahe kommt.

In der vergleichenden Gegenüberstellung für N/p = 24 Nuten pro Polpaar in Tabelle IV sind die entsprechenden Angaben enthalter.

Bei unterschiedlichen Windungszahlen w_Y 4 w, der Spulen beider Wicklungsteile kann gemäß Tabelle III statt einer Parallelschaltung der Sternzweige auch eine Reihenschaltung vorgesehen werden, wozu die Windungszahl der Sternzweigspulen gegenüber der Parallelschaltung halbiert und ihr Leiterquerschnitt verdoppelt werden muß.

Eine exakte Anpassung der unterschiedlichen Spulen entsprechend den unterschiedlichen Zweigströmen gemäß den in Tabelle III bzw. Fig. 21 angegebenen Beziehungen ist im allgemeinen nicht möglich und auch nicht erforderlich. Die angestrebten Verbesserungen werden auch bei näherungsweiser Anpassung praktisch erreicht, ohne daß sich hierdurch Nachteile ergeben.

In der Tabelle IV ist unter anderem auch eine oberwellenarme zwölfzonige ungesehnte Einschichtwicklung

für N/p ~ 24 in Stern-Dreieck-Mischschaltung mit einheitlichen Spulen aufgeführt, die den gleichen günstigen Oberwellengehalt wie eine herkömmliche 5/6gesehnte Zweischichtwicklung aufweist. Darüber hinaus kann durch angepaßte unterschiedliche Spulen nach F i g. 21 und Tabelle III der Oberwellengehalt noch weiter verringert werden, so daß sich ein zwölfeckiges Durchflutungspolygon mit gleichen Seitenlängen ergibt.

Derartige Einschichtwicklungen können nach Fig. 22 und 23 mit konzentrischen Spulengruppen ausgeführt werden, wobei die den beiden verschiedener. Wicklungsteilen zugehörigen Spulengruppen längs des Umfangs gemäß F i g. 22 jeweils paarweise nebeneinanderliegend oder gemäß F i g. 23 in gleichmäßiger abschnittsweise Verteilung angeordnet sein können.
Weiterhin sind gemäß Fig. 24 statt dessen auch symmetrisch verteilte Einzelspulen möglich.

Die Wicklungen nach Fig. 22 und 23 können in vier Zügen in die Blechpaketnuten eingezogen werden, wobei der Reihe nach jeweils drei sich nicht überlappende Spulengruppen, z.B. {/,, If₁, K₁ im ersten Zug bei Fig. 22 bzw. U₁, U₂, W_x im ersten Zug bei Fig. 23 eingezogen werden können.

Mit entsprechend gekreuzten Wickelköpfen läßt sich bei einer Spulenverteilung analog zu Fig. 22 auch eine in zwei Zügen einziehbare Zweietagenwicklung nach F: j. 25 erzielen.

Nach dem Vorhergehenden ist zusammenfassend festzustellen, daß sich durch die erfindungsgemäßen zwölfzonigen Stern-Dreieck-Mischschaltungen selbst bei ungesehnten Spulen schon oberwellenärmere Durchflutungsvfirläufe als bei herkömmlichen gesehnten Wicklungen in Dreieckschaltung erzielen lassen. Durch Seh-

mi up der Spulen läßt sich entsprechend dem dann vierundzwanzigeckigen Durchflutungspolygon ein noch weiter verminderter Oberweilengehalt erreichen. Zusätzlich ermöglicht eine solche Stern-Dreieck-Mischschaltung gegenüber herkömmlichen gesehnten Wicklungen in Dreieckschaltung eine Verringerung der Kupferverluste. Diese ist schnungsabhängig und kann bei Stab-Wellenwicklungen in Stern-Dreieck-Mischschaltung, für den Grcnzfall einer 2/3gesehnten herkömmlichen Wicklung bis zu einer Doppelsternschaltung führen, di* nur noch 75 % Kupfcrverluste hat. Solche Stab wellenwicklungen unterscheiden sich von herkömmlichen Wicklungen nur durch eine geänderte Reihenfolge, in der die einzelnen Wicklungsteile verbunden sind ohne drei zusätzliche Ausgleichsverbindungen.

Bei Drahtspulen-Zweischichtwicklungen in Stern-Dreieck-Mischschaltungen sind die Verlusteinsparungen geringer, da dann ungesehnte oder schwächer gesehnte Spulen verwendet werden müssen. Abhängig davon, welchen Anteil die sehnungsabhängigen Spulenkopflänge l_s an der mittleren Leiterlänge /„ hat, sind die erzielburen Verlusteinsparungen nur rund halb so groß wie bei einer Stab-Wellenwicklung und es ergibt sich ein relativer Kupfermehrbedarf

(Gl. 8^ ^l5

(fvi υπιι,ι ^ινιιι-ι^ινι^υηΊτιυ^ιυ^ιιαιιυιις im«, uii^jvitciini ^j/uivn, uwi jiv-n uti g»_joitnti.il υμυΐ^ιι aui

W

(Gl. 9)

25

vermindert, worin W die ungesehnte Spulenweite und W die gesehnte Spulenweite bedeuten.

Bei Stab-Wellenwicklungen ist also eine größtmögliche Verringerung der Kupferverluste bei gleichzeitig verminderten Oberwellenanteilen und bei Drahtspulenwicklungen - durch zusätzlich angepaßte Spulen - eine größtmögliche Verringerung Her Oberwellenanteile mit gleichzeitig verminderten Kupferverlusten gegenüber vergleichbaren günstigst gesehnten herkömmlichen Wicklungen in Dreieckschaltung erreichbar. Durch die Anpassung von Spulenwindungszahl und Leiterquerschnitt eines Wicklungsteiles lassen sich dabei durchwegs gleiche Spulendurchflutungen, Stromdichten und Verluste in allen Wicklungsteilen erhalten.

Zusammenstellung der verwendeten Gleichungen

(Gl. I) Sehnungsfaktor

2/

(Gl. 2) leistungsbezogene Kupferverluste Vcu ( 1 V

f,V \it/

(Gl. 3) Überlappungszonenbreite
t = (T-W) = Hl- WA)
(Gl. 4) Verhältnis der Kupferverluste bei sehnungsunabhängiger Leiterlänge (Stab-Wellenwicklungen)

4 4 r
(Gl. 5) mittlere Leiterlänge

I_x = k_K + k, ·—-/*

(GI. 6) relative Stirnverbindungslänge bei W/= 1

*, = IA
(Gl. 7) Verhältnis der Kupferverluste bei sehnungsabhängiger Leiterlänge (Drahtspulenwicklungen)

V^. .ΓΙ ₊ 3 Wl l+k_s "~ L4 4 _rJ _l+kW

⁶⁵

(Gl. 8) relativer Kupfermehrbedarf Dr y/J-Mischschaltung mit ungesehnten Spulen :

AG_n, _ä l+k_s Vi

(Gl. 9) relativer Kupfermehrbedarf für JY^f-Mischschaltung mit gesehnten Spulen ;. 10 AG₀₁ __ 1+Λ-, τ

(Gl. 10) Oberwellenstreufaktor |

15 " g

⁰O ⁼ T2 " L·

(GL 11) Oberwellenstreufaktor

₂₅ (Gl. 12) Radius des Grundwellenkreises

^R Ύ T
3Q (Gl. 13) minimal erreichbarer Oberwellenstreufaktor

„ = Γ p^t/n T -1

35 Bedeutung der verwendeten Formelzeichen

	Gn,	Kupfergewicht
	AGtu	Kupfer-Mehrgewicht
40	Ip	Polares Trägheitsmoment eines Görgespolygon-Randpunktes
	k,	relative Stirnverbindungslänge
	U	Kern-(Blechpaket-)Länge
45	Z1	Stimverbindungsiänge
	L	mittlere Leiterlänge
	N	Nutenzahl
Crt	P	Pol paarzahl
50	Ps	Nennleistung
	H	Nutenzahl pro Pol und Strang
	<!y/cij	Leiterquerschnitt im Y- bzw. J-Wicklungsabschnitt
55	R	Trägheitsradius des Grundwellenkreises
	Rt	mittlerer Trägheitsradius des Görgespolygons
	Ku	Kupferverluste
60	W	Windungszahl
	H-../M-J	Spulenwindungszahl im K- bzw. J-Wicklungsabschnitt
	W	Spulenweite
65	W	verkürzte Spulenweite
	ε	Überlappungszonenbreite
	V	Oberwellenordnungszahl

	32	Wicklungsfaktor	02	958
	Sehnungsfaktor
	Zonenfaktor
	Oberwellenstrcufaktor
Olt	kleinstmöglicher Oberwellenstreufaktot
<7..roin	Pol teilung
ι

Tabelle I: Vergleichende Übersicht von herkömmlichen sechszonigen Zweischichtwicklungen in Dreieckschaltung mit äquivalenten i74-Mischschaltungen für N/p — 36 Nuten je Polpaar

/!-Schaltung Sehnung	vor- und rückwärts laufende Stab- Wellenwick lung mit ver schiedenen Spuien- gruppierungen	i	O0 ■ ΙΟ"3	100%	äquivalente y/d-Schaltung Hg. !0 Gruppierung Veriust- der Spulen minderung gemäß Gi. (4)	1/1 (keine)
12 Spulen/ 1/1 Strang	6 + 6	0,9561	5,16	100,8%	0-12-0 reine ^-Schaltung (Fig. 10 (rechts)	23/24
t2/\2 17/18	7 + 5	0,9525	4,46	103,1 %	1-10-1	11/12
12 8/9	8 +4	0,9416	3,49	107,2%	2-8-2	7/8
5/6	9 + 3	0,9236	2,93	113,2%	3-6-3	5/6
7/9	10 + 2	0,8985	3,11	121,7%	4-4-4	19/24
13/18	11 + 1	0,8666	4,00	133,3%	5-2-5	3/4
2/3	12+0	0,8280	5,16	6-0-6 reine Doppel- Y- Schaltung (Fig. 10 links)

Tabelle II: Wicklungseigenschaften möglicher KAd-Mischschaltungen bei N/p - 36 Nuten je Polpaar

Spulcnauflcilung	Spulenschritt	I	σ0 · ΙΟ"3	relative	Kupferverluste
				A	B
1-10-1	1-19	0,9525	4,46	96,7	95,8 (δ 23/24)
1A	1-18	0,9489	4,05	97,5	96,6
A	1-17	0,9380	3,28	99,7	98,8
J \	1-16	0,9200	2,73	103,7	102,7
	1-15	0,8951	2,86	109,5	108,5
2-8-2	1-19	0,9416	3,49	94,5	91,7(A H/12)
	I —IS	0,9380	3,24	95,2	92,4
Ά	1-17	0,9273	2,96	97,5	94,5
2 / \	1-16	0,9095	2,66	101,3	98,25
	1-15	0,8848	2.68	107.0	103.8

Fortsetzung

Spulenaufteilung Spulenschritt 10

,-3

relative Kupferverluste A B

1-19
1-18
1-17
1-16

1-19
1-18
1-17
1-16

0,9236 0,9200 0,9095 0,8921

0,8985 0,8951 0,8848 0,8679

2,93	93,8
2,73	94,5
2,66	96,7
2,77	100,5
3,li	94,4
2,86	95,1
2,68	97,3
2,66	101,1
	a 100%
hnung	a 100%

87,5 (a 7/8) 88,2 90,2 93,5

83,3 (& 5/6) 84,0 85,9 89,3

A im Vergieich mit der Normaiausfuiuung ungesehnt

B im Vergleich mit der Normalausfuhrung, äquivalente Sehnung

Tabelle III: Wicklungseigenschaften bei identischen und angepaßten Spulen

einheitliche Spulen angepaßte Spulen

Spulenwindungszahl w_r = w_A

Leiterquerschnitte

Spulenaufteüung 1-2-1
gemäß Fig. 20, 21

Wicklungsfaktor ζ w_K„ = (2 + VT) w_A (Fig. 20)

h = 0.9330 i_z*)

effektive Windungs- (2+vT)² zahl w ■ ξ 4

i_z ·*„=■ 3,4821 wy = 2/yT - w_A bei Il-Schaltung Wy = 1/-/3" · w_A bei —Schaltung

_Λ bei B-Schaltung q_Y = vT q_A bei —Schaltung

■ 4 w_A (Fig. 21) 2

1+2/-/3

. · Z - 0,9282 £·)

Kupferverluste

Durchflutungspolygon

^ . W ,
bei — =1

, . W
bei — =

12

*) i/ ... Zoncnt'aktor

unterschiedliche Kupferverlustaufteilung

(4/7) K_x„

57,14%

ν -

₌ 42,86%

ungleichseitiges Zwölfeck (Fig. 4) 1:11 = 2 : /Γ gleiche Kupferverlustaufteilung wegen erhöhter effektiver Windungszahl nur

(2+vT)'

32 vT

0,9378facher Strom

V_A = 0,9378²· 57,14 = 50,26%

gleichseitiges Zwölfeck

ungleichseitiges Vierundzwanzigeck ungleichseitiges Vierundzwanzigeck (Fig. 8)

1 : 2 : III = 2 : /TT/2 : vT = 2 : 1,803 : 1,732 I : Il = 2 : 2 · cos 15 = 2 : 1,932

10

Tabelle IV Vergleich verschiedener Wicklungsausführungen für N/p = 24 Nuten pro Polpaar

Spulen

Wicklungsart

Sehnung Durchflutungspolygon

einheitlich Einschiebt- oder 1/1

(Fig. 20} Zweischichtwicklung

^!-Schaltung özonig

(Fig. 1)

Zweischichtwicklung 5/6 ^!-Schaltung 6zonig (Fig. 3)

Einschicht- und l/l

Zweischichtwicklung Λ-4-Mischschaltung 12zonig (Fig. 6)

Zweischichtwicklung 11/12 12zonig (Fig. 7)

(Fig. 21)

Einschicht- und 1/1

Zweischichtwicklung /l-J-Mischschaltung 12zonig (Fig. 6)

Zweischichtwicklung 11/12 ykd-Mischschaltung 12zonig(Fig. 7)

24phasige Käfigwicklung 1/1

Dreiphasenwicklung mit sinusförmig abgestuften Spulenwindungszahlen gleichseitiges Sechseck (Fig. 2)
Seitenlänge: 4x2

0,9577 8,900

ungleichseitiges Zwölfeck (Fig. 4) 0,9250 6,240

I II

Seitenlängen: (2 x 2) : (2 x 3)

ungleichseitiges Vjerundzwanzigeck 0,9171 5,854 (Fig. 8)

I : II : III

Seitenlängen: 2 : -/13/2 : VT
gleichseitiges Zwölfeck

0,9203 6,033

Seitenlänge: 2 : 2

ungleichseitiges Vierundzwanzigeck 0,9124 5,736

I : II
Seitenlängen: 2 : 1,932

gleichseitiges Vierundzwanzigeck 1

5,731 0,7899

Hierzu 10 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Dreiphasige Wicklung in Stern-Dreieck-Mischschaltung für eine elektrische Maschine mit einem ersten Wicklungsteil aus drei im Dreieck geschalteten Wicklungsabschnitten und mit einem zweiten Wicklungsteil aus drei sternartig an den ersten Wicklungsteil angeschlossenen Abschnitten, deren freie Enden mit den Anschlußklemmen verbunden sind, wobei die einzelnen Abschnitte der beiden Wicklungsteile innerhalb jedes Polpaares zwölfzonig verteilt und um 30° elektrisch gegeneinander versetzt angeordnet sind (F i g. 6,7, 9), d a d u rc h g e k e π η ζ e i c h η e t, daß die drei sternartig angeschlossenen Wicklungsabschnitte jeweils aus zwei parallelen Spulengruppen (a, d) bestehen (Fig. 13).

2. Wicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie als zweischichtige Stab-Welienwicxlung ausgebildet ist (Fig. 11 bis 13).

3. Wicklung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wicklungsabschnitt des im Dreieck geschalteten ersten Wicklungsteils aus der Reihenschaltung von zwei Spulengruppen (b, c) gebildet ist, von denen eine vorwärts durchlaufen und die andere rückwärts durchlaufen ist, und daß die Spulengruppen (a, d) des zweiten Wicklungsabschnittes gleichsinnig durciilaufen sind (Fig. 11 bis 13).

4. Wicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie als zweischichtige Drahtspulenwicklung aus Spulen bzw. Spulengruppen gleicher Weise gebildet ist (Fig. 19).

5. Wicklung nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus gesehnten Spulen mit einer im Bereich zwischen 5/6 und 1/1 Polteilung liegenden Spulenweite gebildet ist (Fig. 15 bis 19, Tab. il).

6. Wicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie als einschichtige Drahtspulenwicklung ausgebildet ist (Fig. 22 bis 25).

7. Wicklung nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die räumlich benachbarten Spulen der beiden Wicklungsteile jeweils zu konzentrisch gewickelten Spulengruppen zusammengefaßt sind (Fig. 19, 22, 23).

8. Wicklung nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die den beiden Wicklungstellen zugehörigen Drahtspulen hinsichtlich Windungszahl und Leiterquerschnitt durchwegs identisch ausgeführt sind (Fig. 20).

9. Wicklung nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtspulen des in Dreieck geschalteten ersten Wicklungsteiles gegenüber den Spulen für die Sternzweige des zweiten Wicklungsteiles nähe-

rungsweise eine im Verhältnis τ/ΊΪΪ « 0,866 verringerte Windungszahl und einen reziprok dazu auf das

2/vT « l,15fache erhöhten Leiterquerschnitt aufweisen, so daß sich trotz der unterschiedlichen Ströme in den beide·. Wicklungsteilen zumindest angenähert gleiche Spulendurchflutungen, Stromdichten und spezifische Kupferverlusfs ergeben (Fig. 21, Tab. III).