WO2008148680A2 - Hochspannungsmaschine mit verbindungsloser wicklung - Google Patents

Hochspannungsmaschine mit verbindungsloser wicklung Download PDF

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WO2008148680A2
WO2008148680A2 PCT/EP2008/056549 EP2008056549W WO2008148680A2 WO 2008148680 A2 WO2008148680 A2 WO 2008148680A2 EP 2008056549 W EP2008056549 W EP 2008056549W WO 2008148680 A2 WO2008148680 A2 WO 2008148680A2
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Hartmut Walter
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    • H02K3/32—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation
    • H02K3/40—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation for high voltage, e.g. affording protection against corona discharges

Definitions

  • the present invention relates to a high-voltage machine with a laminated core, which has a plurality of grooves, and a winding, which is arranged in the grooves and made of a stranded conductor and having at least one strand.
  • the invention relates in particular to high-voltage motors and generators in stranded conductor design. According to the VDE regulations, high-voltage machines are designed for operating voltages of 3.3 kV and more.
  • the circuit is preferably realized by solder joints, or when using stranded conductors by Crimptheticen.
  • a stranded conductor consists of a plurality (typically several hundred, possibly more than a thousand) of individual lacquer-coated individual conductors which are wound with a main insulation made of mica tapes.
  • the paint layer must be completely removed from the individual wires.
  • the individual conductors must not be damaged, in particular not bent, broken off, etc.
  • Each connection (coil connection or switching connection) within a stranded winding represents a weak point. Due to poor current transitions, so-called hot spots occur with these connections. These weaknesses can usually not be eliminated by high effort.
  • the lacquer layer was previously removed by burning, brushing and chemical treatment.
  • the object of the present invention is therefore to propose a high voltage machine with reduced axial length, which is suitable for operation at high speeds.
  • this object is achieved by a high-voltage machine with a laminated core, which has a plurality of grooves, and a winding which is arranged in the grooves and made of a stranded conductor and has at least one strand, wherein the entire, at least one strand continuous is inserted with a single stranded conductor in the grooves of the laminated core.
  • the invention allows a strand or a phase with a single stranded conductor (endless conductor) without coil connections and insert without switching connections in the grooves of a laminated core. Since no coil or switching connections are provided, there is no additional space required for the circuit.
  • the stranded conductor preferably has more than one hundred lacquer-coated individual conductors. In many cases, the stranded conductor also consists of four hundred individual conductors and more, sometimes even more than a thousand individual conductors. As a result, the displacement effect that occurs at higher frequencies can be reduced to a tolerable level, so that even higher-speed machines can be realized.
  • the individual conductors of the stranded conductor can be wound with a main insulation made of mica tape. This makes it possible to realize a voltage-proof insulation.
  • the winding in the high-voltage machine can have several layers in each individual groove of the laminated core. This makes it possible to achieve correspondingly high inductances.
  • the at least one strand may have a plurality of coil groups.
  • FIG. 1 shows a winding pattern of a phase U of a two-pole high-voltage machine according to the invention
  • FIG. 3 shows a winding pattern of a phase W and 4 shows a circuit diagram of the stator of the high voltage machine with the windings of Figures 1 to 3 from the axial view.
  • FIG. 1 shows the winding diagram of a first strand, in this case phase U.
  • a single, continuous stranded conductor with the ends U1 and U2 is placed in the grooves 34 to 36 and 1 to 6 and 16 to 24 according to FIG.
  • the stranded conductor which has, for example, four hundred insulated individual conductors and is designed for more than 3.3 kV, is inserted into the groove 1.
  • the stranded conductor is continued to groove 24, and then to the grooves 2, 23, 3 and 22.
  • a first winding layer of a first coil is placed.
  • a coil is placed in the grooves 4, 5, 6, 19, 20 and 21.
  • a strand piece L1 which is part of the stranded conductor, connects the two coils.
  • a second winding layer is placed in the same grooves 1 to 6 and 19 to 24.
  • the second winding layer is integrally connected to the first winding layer with a strand piece L2.
  • This strand piece L2 is as well as the strand piece Ll for connecting the first coil on the B side BS of the winding.
  • no coil or switching connections are provided here.
  • the first four coils are now formed in the first winding layer WLl and the second winding layer WL2 each with a radial projection.
  • the stranded conductor After the stranded conductor has been guided for the second time through the groove 24, it is guided to the groove 34 on the B-side BS with another strand piece L3 which takes the place of a switching connection. Now, the grooves 34 to 36 and 1 to 3 and 16 to 21 are occupied in the same manner with the stranded conductor as the previous grooves. The winding layers WL3 and WL4 are created in these grooves. Finally, the stranded conductor is guided out of groove 21 to the outside and it forms there an end U2.
  • the winding diagram of FIG. 1 leads to a two-pole machine (compare the circuit diagram of FIG. 4).
  • the stranded conductor for the phase V with the ends Vl and V2 is inserted in an analogous manner according to FIG 2 continuously in the grooves 10 to 18 and 28 to 36. Again, corresponding winding layers WL1 to WL4 are formed. The ends Vl and V2 of the stranded conductor thus protrude on the side BS of the grooves 13 and 33 to the outside.
  • the stranded conductor also forms the winding layers WL1 to WL4 here.
  • the ends Wl and W2 protrude here from the grooves 9 and 25 on the side BS.
  • FIG. 4 shows the circuit diagram of this winding from the B side BS.
  • the grooves 1 to 36 four coil layers can be seen in each case.
  • the Litzenleiterstucke are shown in FIG 4, as Serve switching connections. Coil connections are not shown.
  • the Litzenstucke L2 and L3 are drawn, which connect the first layer of the groove 19 with the second layer of groove 6 and the second layer of groove 24 with the third position of groove 34.
  • the individual phases UVW are not merged into a star point, but for the selected case of need, each alone with two ends is led to the outside.

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Abstract

Es soll eine axial sehr kurze Hochspannungsmaschine für hohe Drehzahlen vorgeschlagen werden. Daher wird ein Strang (U, V, W) durchgehend mit einem einzigen Litzenleiter in die Nuten (1 bis 36) des Blechpakets einer Hochspannungsmaschine eingelegt. Auf diese Weise kann auf Spulenverbindungen und Schalt-Verbindungen sowie Ringleitungen verzichtet werden, die in der Regel eine deutliche Wickelkopf ausladung mit sich bringen.

Description

Beschreibung
Hochspannungsmaschine mit verbindungsloser Wicklung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochspannungsmaschine mit einem Blechpaket, das eine Vielzahl an Nuten aufweist, und einer Wicklung, die in den Nuten angeordnet und aus einem Litzenleiter gefertigt ist sowie mindestens einen Strang aufweist. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Hochspan- nungsmotoren und -generatoren in Litzenleiterausführung. Entsprechend den VDE-Vorschriften sind Hochspannungsmaschinen für Betriebsspannungen von 3,3 kV und mehr ausgelegt.
Bei konventionellen Ständerwicklungen für Hochspannungsma- schinen werden einzelne Spulen in das Ständerblechpaket eingebaut. Die Spulen werden anschließend entsprechend der e- lektrischen Vorgabe untereinander verschaltet. Dabei entstehen Spulenverbindungen beim Verschalten mehrerer Spulen einer Spulengruppe und Schaltverbindungen beim Verschalten mehrerer Gruppen eines Strangs.
Die Schaltung wird vorzugsweise durch Lötverbindungen, bzw. bei Verwendung von Litzenleitern durch Crimpverbindungen, realisiert. Ein Litzenleiter besteht aus einer Vielzahl (typi- scherweise mehrere hundert, gegebenenfalls mehr als tausend) von einzelnen lackbeschichteten Einzelleitern, die mit einer Hauptisolierung aus Glimmerbändern bewickelt sind. Für eine sichere Verbindung muss die Lackschicht von den einzelnen Drähten vollständig entfernt werden. Dabei dürfen die Einzel- leiter nicht beschädigt, insbesondere nicht abgeknickt, abgebrochen, etc. werden. Jede Verbindung (Spulenverbindung oder Schaltverbindung) innerhalb einer Litzenwicklung stellt einen Schwachpunkt dar. Durch schlechte Stromübergänge ergeben sich nämlich bei diesen Verbindungen so genannte Heiß- stellen. Diese Schwachpunkte können in der Regel auch durch hohen Aufwand nicht beseitigt werden. Die Lackschicht wurde bisher durch Abbrennen, Abbürsten und chemische Behandlung entfernt. Dabei wurden häufig ganze Einzelleiter abgebrannt oder abgeknickt. Die gereinigten Litzenleiter wurden durch eine Quetschverbindung miteinander ver- bunden. Ausziehversuche zum Nachweis der mechanischen Festigkeit haben gezeigt, dass die geforderten Ansprüche an die Verbindung nicht reproduzierbar erreicht werden. Es ist davon auszugehen, dass für das Herstellen von elektrisch und mechanisch sicheren Verbindungen das vollständige Entfernen der Lackschichten in jedem Fall unabdingbar ist.
Der Aufbau einer Hochspannungsmaschine mit Spulen bzw. Stäben und entsprechenden Verbindungen im Wickelkopfbereich führt zu einer verhältnismäßig hohen axialen Baulänge. Dies kann bei speziellen Anwendungen unerwünscht sein.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Hochspannungsmaschine mit reduzierter axialer Baulänge vorzuschlagen, die für den Betrieb mit hohen Drehzahlen ge- eignet ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Hochspannungsmaschine mit einem Blechpaket, das eine Vielzahl an Nuten aufweist, und einer Wicklung, die in den Nuten angeord- net und aus einem Litzenleiter gefertigt ist sowie mindestens einen Strang aufweist, wobei der gesamte, mindestens eine Strang durchgehend mit einem einzigen Litzenleiter in die Nuten des Blechpakets eingelegt ist.
In vorteilhafter Weise ermöglicht die Erfindung einen Strang bzw. eine Phase mit einem einzigen Litzenleiter (Endlosleiter) ohne Spulenverbindungen und ohne Schaltverbindungen in die Nuten eines Blechpakets einzulegen. Da keine Spulen- bzw. Schaltverbindungen vorgesehen sind, entsteht auch kein zu- sätzlicher Platzbedarf für die Schaltung.
Die Wickelkopfausladung wird also reduziert. Daneben sind auch keine Ringleitungen notwendig, die zum Sammeln von Spu- lengruppen einer Phase dienen. Insgesamt verringert sich somit der Fertigungsaufwand für die Hochspannungsmaschine erheblich. Des Weiteren entstehen an den Verbindungen keine Heißpunkte durch zu hohe Ubergangswiderstande . Schließlich wird die Hochspannungsmaschine durch die erfindungsgemaße Wicklung unempfindlicher gegen Überflutungen, da keine Verbindungen gebraucht werden, die Schwachstellen gegenüber Feuchtigkeit darstellen.
Vorzugsweise besitzt der Litzenleiter mehr als einhundert lackbeschichtete Einzelleiter. Vielfach besteht der Litzenleiter auch aus vierhundert Einzelleitern und mehr, teilweise sogar aus über eintausend Einzelleitern. Dadurch kann der Verdrangungseffekt, der bei höheren Frequenzen auftritt, auf ein ertragliches Maß reduziert werden, so dass auch Maschinen mit höherer Drehzahl realisiert werden können.
Die Einzelleiter des Litzenleiters können mit einer Hauptisolierung aus Glimmerbandern bewickelt sein. Damit lasst sich eine spannungsfeste Isolation realisieren.
Des Weiteren kann die Wicklung in der Hochspannungsmaschine in jeder einzelnen Nut des Blechpakets mehrere Schichten aufweisen. Damit lassen sich entsprechend hohe Induktivitäten erzielen.
Des Weiteren kann der mindestens eine Strang mehrere Spulengruppen aufweisen. Hierdurch können Maschinen mit beliebiger Polzahl auf einfache Weise realisiert werden.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefugten Zeichnungen naher erläutert, in denen zeigen:
FIG 1 ein Wicklungsbild einer Phase U einer zweipoligen erfindungsgemaßen Hochspannungsmaschine;
FIG 2 ein Wicklungsbild einer Phase V;
FIG 3 ein Wicklungsbild einer Phase W und FIG 4 ein Schaltschema des Ständers der Hochspannungsmaschine mit den Wicklungen der FIG 1 bis 3 aus axialer Sicht.
Das nachfolgend näher geschilderte Ausführungsbeispiel stellt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar .
In den FIG 1 bis 4 ist die Wicklung eines Ständers einer zweipoligen Hochspannungsmaschine ohne Sternpunkt dargestellt. Die axiale Länge der Maschine soll sehr kurz sein, wobei dennoch ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden muss. Daher wird erfindungsgemäß auf Verbindungen innerhalb der Wicklung, d. h. auf Spulenverbindungen, Schaltverbindungen, Ring- leitungen und dergleichen vollständig verzichtet. Auf diese Weise wird die axiale Wickelkopfausladung sehr klein. Folglich steigt der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine relativ zu seiner axialen Baulänge.
FIG 1 zeigt das Wicklungsschema eines ersten Strangs, hier der Phase U. Ein einziger, durchgehender Litzenleiter mit den Enden Ul und U2 wird gemäß FIG 1 in die Nuten 34 bis 36 und 1 bis 6 sowie 16 bis 24 gelegt. Beginnend bei Ul wird der Litzenleiter, der beispielsweise vierhundert isolierte Einzel- leiter aufweist und für mehr als 3,3 kV ausgelegt ist, in die Nut 1 eingelegt. Der Litzenleiter wird weitergeführt zu Nut 24, und anschließend zu den Nuten 2, 23, 3 und 22. Damit ist eine erste Wicklungslage einer ersten Spule gelegt. Anschließend wird in die Nuten 4, 5, 6, 19, 20 und 21 eine Spule ge- legt. Dabei wird der Litzenleiter ohne übliche mechanische
Spulenverbindung in diese weiteren Nuten eingelegt. Ein Litzenstück Ll, das Teil des Litzenleiters ist, verbindet die beiden Spulen. Im Anschluss daran wird in die gleichen Nuten 1 bis 6 und 19 bis 24 eine zweite Wicklungslage gelegt. Die zweite Wicklungslage ist mit der ersten Wicklungslage mit einem Litzenstück L2 einstückig verbunden. Dieses Litzenstück L2 liegt ebenso wie das Litzenstück Ll zur Verbindung der ersten Spulen auf der B-Seite BS der Wicklung. Auf der A-Seite AS sind hier keine Spulen- bzw. Schaltverbindungen vorgesehen. Die ersten vier Spulen sind nun in der ersten Wicklungslage WLl und der zweiten Wicklungslage WL2 jeweils mit radialer Ausladung gebildet.
Nachdem der Litzenleiter zum zweiten Mal durch die Nut 24 gefuhrt wurde, wird er mit einem weiteren Litzenstuck L3, das an die Stelle einer Schaltverbindung tritt, auf der B-Seite BS zur Nut 34 gefuhrt. Nun werden die Nuten 34 bis 36 und 1 bis 3 sowie 16 bis 21 in der gleichen Weise mit dem Litzenleiter belegt wie die vorhergehenden Nuten. In diesen Nuten entstehen so die Wicklungslagen WL3 und WL4. Schließlich wird der Litzenleiter aus Nut 21 nach außen gefuhrt und er bildet dort ein Ende U2. Das Wicklungsbild von FIG 1 fuhrt zu einer zweipoligen Maschine (vergleiche das Schaltschema von FIG 4).
Der Litzenleiter für die Phase V mit den Enden Vl und V2 wird in analoger Weise entsprechend FIG 2 durchgehend in die Nuten 10 bis 18 und 28 bis 36 eingelegt. Wiederum werden entspre- chende Wicklungslagen WLl bis WL4 gebildet. Die Enden Vl und V2 des Litzenleiters ragen also an der Seite BS aus den Nuten 13 und 33 nach außen.
Für die dritte Phase W wird ein weiterer durchgehender Lit- zenleiter mit den Enden Wl und W2 in die Nuten 4 bis 12 und
22 bis 30 gelegt. Der Litzenleiter bildet auch hier die Wicklungslagen WLl bis WL4. Die Enden Wl und W2 ragen hier aus den Nuten 9 und 25 auf der Seite BS.
Insgesamt entsteht durch das Wicklungsbild entsprechend den FIG 1 bis 3 eine konzentrische Vier-Schicht-Spulenwicklung mit sechsunddreißig Nuten. Elektrisch gesehen ergibt sich eine Zweischichtwicklung.
In FIG 4 ist das Schaltschema dieser Wicklung von der B-Seite BS dargestellt. In den Nuten 1 bis 36 sind jeweils vier Spulenschichten zu erkennen. Der Übersicht halber sind in FIG 4 lediglich die Litzenleiterstucke eingezeichnet, die als Schaltverbindungen dienen. Spulenverbindungen sind nicht eingezeichnet. Symbolisch sind die Litzenstucke L2 und L3 eingezeichnet, die die erste Lage der Nut 19 mit der zweiten Lage von Nut 6 bzw. die zweite Lage von Nut 24 mit der dritten La- ge von Nut 34 verbinden. In FIG 4 ist weiterhin zu erkennen, dass die einzelnen Phasen UVW nicht in einem Sternpunkt zusammengeführt sind, sondern für den gewählten Bedarfsfall jede für sich allein mit zwei Enden nach außen gefuhrt ist.
Insbesondere aus den FIG 1 bis 3 ist zu erkennen, dass auf
Verbindungen innerhalb jeder Strangwicklung vollständig verzichtet wird. Dabei werden alle Wicklungselemente eines Strangs mit einem „Endlosleiter" in das Standerblechpaket eingelegt. Der Platz für die verbindungslosen Übergänge von Spule zu Spule bzw. von Spulengruppe zu Spulengruppe wird durch die wechselnde Anordnung der Spulengruppen geschaffen. Es ist somit eine axial sehr kurze Hochspannungsmaschine realisierbar .

Claims

Patentansprüche
1. Hochspannungsmaschine mit einem Blechpaket, das eine Vielzahl an Nuten (1 bis 36) aufweist, und einer Wicklung, die in den Nuten (1 bis 36) angeordnet und aus einem Litzenleiter gefertigt ist sowie mindestens einen Strang aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass - der gesamte, mindestens eine Strang durchgehend mit einem einzigen Litzenleiter in die Nuten (1 bis 36) des Blechpakets eingelegt ist.
2. Hochspannungsmaschine nach Anspruch 1, wobei der Litzen- leiter mehr als hundert lackbeschichtete Einzelleiter aufweist .
3. Hochspannungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Einzelleiter des Litzenleiters mit einer Hauptisolierung aus Glimmerbändern bewickelt sind.
4. Hochspannungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wicklung in jeder einzelnen Nut mehrere Schichten (WLl bis WL4) aufweist.
5. Hochspannungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Strang mehrere Spulengruppen aufweist.
PCT/EP2008/056549 2007-06-04 2008-05-28 Hochspannungsmaschine mit verbindungsloser wicklung WO2008148680A2 (de)

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