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Weehselstrommasehine, insbesondere Mehrphasen-Weehselstrommasehine.
Bei dem Bau von grossen Mehrphasen-Wechselstrommasehinen hat sich herausgestellt, dass
Spannungen von 16.500 bis 24.000 Volt, vom Gesichtspunkt der Isolierung und des Baues des
Generators am wirtschaftlichsten sind. Generatoren, die für wesentlich höhere Spannungen entworfen werden, fallen grösser im Durchmesser, länger und teurer aus als Generatoren, die für die wirtschaftlichste Spannung gebaut werden. Indessen treten an der Schaltapparatur, den Kabeln und den Gerüsten der Zentralen bei der Behandlung von starken Wechselströmen Schwierigkeiten auf, die die Anwendung von Generatoren von grosser Leistung wünschenswert erscheinen lässt, die für hohe Spannungen von
27.600 bis 33.000 Volt oder darüber bewickelt sind.
Lange Erfahrungen mit Generatoren, die mit Glimmer in den Nuten isoliert sind, hat bewiesen, dass diese Isolation sehr sicher ist. Auch sind Mittel entwickelt worden, um die Wickelköpfe so zu unterstützen und zu isolieren, dass die Isolation an diesen Stellen den sie beanspruchenden Spannungen standhalten kann.
Indessen besteht bei Hochspannungsmaschinen eine ernste Gefahr durch das Auftreten von
Glimmfeuer, das bei der normalen Betriebsspannung niedrig gehalten werden muss, weil es in einer luftgekühlten Maschine Stickstoffoxyd erzeugt, das besonders ungünstig für Maschinen ist, die eine Umlaufkühlung besitzen. Bei solchen Maschinen wird das Stickstoffoxyd in dem geschlossenen Luftraum in Gegenwart eines ausserordentlich hohen Betrages von Feuchtigkeit dauernd gehalten, wodurch seine Konzentration wächst und schwache Säuren erzeugt werden, die die Flügel des Lüfters angreifen und die organische Isolation an den Wickelköpfen und Phasenverbindungsringen oder Gruppenverbindern und den Stützgliedern zerstören.
Das Glimmfeuer muss infolgedessen nicht nur bei normaler Betriebsspannung niedrig gehalten werden, es ist auch sehr erwünscht, es bei der vorgeschriebenen hohen Prüfspannung zu vermeiden, insbesondere bei Maschinen, die für äusserst hohe Spannungen entworfen werden. Bei solchen Spannungen ist es besonders schädlich, weil es bestrebt ist, sich zusammenzuziehen und in einem Punkt zu konzentrieren, so dass beträchtlicher Schaden entstehen kann, wenn Glimmfeuer in dem Augenblick vorhanden ist, in dem die Prüfspannung angelegt wird.
Es sind bereits Mittel entwickelt worden, um das Entstehen von Glimmfeuer an den geraden Teilen der Spulenseiten zu verhindern, wo die Spulenisolation mit dem Eisen der Ständernuten in Berührung kommt. Diese Stelle war früher die Hauptquelle von Glimmfeuer, das aber durch Überziehen der Isolation der Spulenseiten mit halbleitendem Material ausgeschaltet wurde. Wenn dieser äussere Überzug über die Wickelköpfe ausgebreitet würde, könnte das Glimmfeuerproblem dort auch gelöst werden. Es wäre dann aber nötig, die Isolation der Stirnverbindungen so wirksam wie die der geraden Spulenseiten zu machen. Das ist jedoch schwierig, weil der Umriss der Spulenseiten es erschwert, die Isolation frei von Luftblasen anzubringen.
Daher hat man davon abgesehen, die isolierenden Bewicklungen in den Stirnverbindungen so zuverlässig in bezug auf die Beanspruchung zu machen wie die Isolation an den in den Nuten liegenden Spulenseiten. Daher ist es erforderlich, Isoliermaterial für die Abstandstücke und für die Halteglieder der Endverbindungen zu gebrauchen.
Es hat sich herausgestellt, dass es möglich ist, Glimmfeuer an den Endverbindungen bei den bisher gebräuchlichen normalen Spannungen durch geeignete Mittel dadurch auszuschalten, dass die Endverbindungen in geeignetem Abstand angeordnet werden, dass die äusserst widerstandsfähige Nuten-
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isolation abgestuft wird und dass die Spannungsbeanspruchungen geeignet auf die Stellen der Wickel- köpfe verteilt werden, die den Nuten am nächsten liegen.
Bei höheren Spannungsbeträgen indessen, insbesondere aber bei der vorgeschriebenen Prüf- spannung, haben sich Schwierigkeiten mit Glimmfeuer an den Stirnverbindungen normaler Maschinen ergeben, die mit gewöhnlicher Zweischichtwicklung ausgeführt waren. Bei einer Zweischichtwicklung werden vorgeformte Spulen verwendet und eine Seite jeder Spule wird an den Grund ihrer Nut gelegt.
Dieses Verfahren wird mindestens um einen Teil der Maschine herum fortgesetzt, ehe die zweite Spulen- seite irgendeiner Spule in ihre Nut gelegt wird, so dass eine Seite jeder Spule auf den Grund ihrer Nut liegt und die andere Spulenseite an der Nutöffnung oder in einer zylindrischen Fläche in einer andern radialen Tiefe als die erste Spulenseite. Diese Art der Wicklung ist die bevorzugte Art, die möglichst angewendet wird, weil sie gestattet, die Spulen leicht in die Nuten einzulegen und weil sie kompakte
Wicklungsköpfe ergibt. Sie führt aber zu Schwierigkeiten bei Maschinen, die grösser als die normalen sind und insbesondere bei Prüfspannungen, denen die Maschinen ausgesetzt werden müssen, bevor sie in Gebrauch genommen werden dürfen.
Ausser der Zweisehichtwicklung ist auch eine sogenannte Einschichtwicklung bekannt, bei der alle Spulenseiten in derselben radialen Tiefe in den verschiedenen Nuten liegen und in einer einzigen zylindrischen Lage angeordnet sind. Diese Art von Wicklung ist gewählt worden, wenn die Zahl der
Spulenseiten kleiner gehalten werden soll, um die Spannung der Wicklung zu vermindern. Sie hat aber den Nachteil erhöhter Herstellungskosten für Arbeit beim Zusammensetzen der Spulen und etwas unförmige Endverbindungen in der fertigen Maschine ; dazu kommen grössere Polflächen- und andere
Eisenverluste, insbesondere bei einer Sehnung, die von der vollen Teilung erheblich abweicht.
Die genannten Nachteile werden nach der Erfindung dadurch vermieden, dass mehrere über- einander angeordnete Einschichtwicklungen mit mehreren Leitern je Spulenseite verwendet werden, so dass eine Art Doppeldeckeinschichtwicklung entsteht. Die Einsehiehtwicklungen werden passend in Reihe miteinander so verbunden, dass die Spulenseiten genau dieselben Plätze (abgesehen von ihrer
Anordnung in der Reihenverbindung) einnehmen, die sie in einer gewöhnlichen Zweischiehtwicklung einnehmen würden, so dass Polflächen-und andere Eisenverluste nicht grösser ausfallen als bei
Maschinen, die eine gewöhnliche Zweischiohtwicklung haben.
Dagegen erzeugt die neue Doppeldeck- einsehichtwicklung eine Maschine, bei der die Endverbindungen der Spulen besser in vier verschiedenen sogenannten konischen Lagen als in zwei angeordnet werden, so dass viel grössere Abstände zwischen benachbarten Spulenteilen von verschiedenen Spannungen erhalten werden können, als bei einer Zwei- sehiehtwicklung praktisch möglich wären, wie im folgenden noch beschrieben werden soll.
Bei der neuen Wicklung lässt sich auch der Gedanke der abgestuften Isolation gemäss der
Höchstspannung, die jeder Teil des Leiters führt, mit Vorteil anwenden. Während aber die bisherige
Anwendung dieses Gedankens zu kostspieligen Bauformen geführt hat, wobei beispielsweise für die
Spulenseiten gerade Stäbe und für die Stirnverbindungen besonders geformte Stücke gewählt worden sind, die vier Verbindungsstellen für jede Spule erfordern, können bei der vorgeschlagenen Anordnung von mehreren Lagen von Einzelsehichtwicklungen die einzelnen Lagen verschiedene Isolierstärken erhalten. Dabei wird die Lage mit der geringsten Isolation dem neutralen Punkt des Generators am nächsten angeordnet, so dass sich die Vorteile einer abgestuften Isolation in einer Wicklung, die vor- geformte Spulen enthält, ergeben.
Durch diese Anordnung wird erheblich an Raum für Isolation gespart und damit die Grösse und der Preis der Maschine herabgesetzt, oder für eine gegebene Grösse einer Maschine kann eine höhere Spannung gewählt werden, wodurch wenigstens teilweise die erhöhte
Schwierigkeit des Wickelns und die Vergrösserung des Raumes, den die Endverbindungen einnehmen, ausgeglichen wird, die für die Einzelschichtwicklung charakteristisch sind. Es ist so möglich, eine
Maschine von grösserer Spannung bei einer nur verhältnismässig geringen Preiserhöhung im Vergleich zu einer Maschine mit einer bisher verwendeten Spannung zu erzeugen.
Bei Prüfung der Maschine auf Überspannung ist es dann zwar erforderlich, die verschieden stark isolierten Wicklungen getrennt voneinander auf den auf sie entfallenden Potentialunterschied zu prüfen. Hiedurch entstehen einige unbeachtliohe Schwierigkeiten, die indessen nicht ernster sind als die Notwendigkeit, besondere Endleitungen wenigstens zeitweise für die Dauer der Probe aus den
Wicklungen herauszuführen.
Die Anwendung der abgestuften Isolation führt zu einer starken Gefährdung der Wicklungen bei ausserordentlich hohen Spannungen, wie sie z. B. durch Blitze oder Schalten erzeugt werden. Zur
Sicherung gegen derartige Gefahren soll der neutrale Punkt eine Erdverbindung erhalten, die wenigstens während besonders starker Spannungsentladungen wirksam wird, und an die verschiedenen Ver- bindungspunkte zwischen Wicklungen mit verschiedener Isolationsstärke sollen Blitzableiter angelegt werden. Die Kosten dieses Schutzes sind unbedeutend im Vergleich mit der Ersparnis an Kosten durch die Abstufung der Isolation.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung veranschaulicht. Diese zeigt einen dreiphasigen stemverbundenen vierpoligen Hochspannungsgenerator.
Fig 1 zeigt ein Schaltschema für eine Doppeldeckeinschichtwicklung mit Blitzschutzapparaten.
In Fig. 2 ist im Längsschnitt ein Stück der Dynamomaschine mit den Stirnverbindungen dargestellt.
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Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch eine Ständernut. In Fig. 4 ist schematisch der Abstand zwischen benachbarten Endverbindungen einer Wicklungsschicht dargestellt und Fig. 5 zeigt die entsprechende
Anordnung für eine Zweischichtwicklung. In Fig. 6 ist eine andere Ausführungsform eines Schalt- schemas, ähnlich dem in Fig. 1, dargestellt.
Die Maschine enthält einen Läufer 50, von dem nur ein Teil in Fig. 2 angedeutet ist, und einen
Ständer 51, der einen wirksamen geblätterten Kern 52 besitzt, der die Wicklung trägt. Diese besteht aus zwei übereinander angeordneten Einsehichtwieklungen 53 und 54, die verschieden stark isoliert sind. Es können auch mehr Lagen von Einschichtwicklungen verwendet werden. Die schwächer isolierte Wicklung 53 liegt hier am Nutengrund, die stärker isolierte 54 über dieser. Die Wicklungen können auch umgekehrt angeordnet werden. In Fig. 1 ist die die niedere Spannung führende Wick- lung 53 durch gestrichelte Linien angedeutet, und die verschiedenen Niederspannungsspulenseiten, die in den Ständernuten liegen, sind durch verhältnismässig kurze gestrichelte Linien 56 angedeutet.
Die Hochspannungswicklung 54 ist in vollen Linien gezeigt und ihre Spulenseiten sind durch ver- hältnismässig lange, gerade volle Linien 57 dargestellt. Beide Wicklungen sind aus vorgeformten Spulen hergestellt, von denen jede zwei Seiten 56 und 57 besitzt, die in den Maschinennuten liegen, und End- verbindungen 58 auf jeder Seite der Maschine.
Die dargestellte Maschine ist eine vierpolige Maschine mit 48 Nuten, von denen jede eine Nieder- spannungs-und Hochspannungsspulenseite enthält. Der Einfachheit wegen sind die Spulen mit vollem
Wicklungsschritt gezeigt. Sie umfassen also zwölf Nuten plus oder minus einer Nut, was erforderlich ist, um die Wicklung unterzubringen. Selbstverständlich ist es besser, eine gesehnte Windung anzuwenden.
In Fig. 1 ist jede Spule in der üblichen Weise nur durch eine einzige Windung dargestellt.
Wie in Fig. 3 veranschaulicht, besitzt jede Spule im vorliegenden Fall drei Windungen, von denen jede aus einem Leiter 59 besteht, der eine schwache Isolationshülle 61 besitzt, die der schwachen Beanspruchung der benachbarten Windungen entspricht. Die drei Windungen jeder Spule sind zusammen von einer stärkeren Isolationshülle 62 umgeben, durch die jede Spule in der ihr angemessenen Weise von der Erde isoliert ist, unter der Annahme, dass der Ständerkern 52 geerdet ist. Zur Erleichterung der Herstellung ist jeder Leiter 59 in eine Mehrzahl von flachen Teil- leitern unterteilt, die aus unisolierten Kupferstreifen bestehen.
Jeder einzelnen Einschichtwicklung 53 und 54 ist eine Anzahl Phasenverbindungsringe oder
Gruppenverbinder 63 und 64 zugeteilt.
Alle Endverbindungen, einschliesslich der Endverbindungen 58 der Spulen und der Verbindungs- ringe 63 und 64, sind durch passende Isolierstücke 65 gegeneinander abgestützt, die auf metallischen
Stützen 66 befestigt sind, die durch Bolzen mit dem Ende des Ständerkerns 52 verbunden sind. Die
Stirnverbindungen 58 sind in mehreren sogenannten konischen Lagen angeordnet, die in Fig. 2 mit den Ziffern 67, 68, 69 und 70 bezeichnet sind. Der Ausdruck koniseh"ist dabei im allgemeinen Sinne gebraucht und bezeichnet die Begrenzungsfläche eines ebenen Kreises in dem Falle, in dem die End- verbindungen 58 rechtwinklig zu den Spulenseiten 56 und 57 abgebogen sind. Dieser Abbiegungs- winkel kann selbstverständlich auch kleiner als ein rechter sein.
In Fig. 1 ist eine vollständige Phase der Doppeldeck-Einsehiehtwieklung in starken Linien angedeutet, um die Wicklung leicht verfolgen zu können. Angefangen mit dem aus der Wicklung herausgeführten Leiter T 7 zeigt die Phase zunächst zwei Hochspannungsspulen 72 und 73, die einen
Pol dieser Phase der Hoehspannungswieklung 54 umfassen. Die Seiten der Spule 72 liegen in den
Nuten 7 und 20 und die der Spule 73 in den Nuten 9 und 22.
Von der Spule 73 läuft der Stromkreis durch einen Gruppenverbinder 74 zu den Spulen 75 und 76, die einen zweiten Pol der Phase umfassen und von denen der Stromkreis durch einen Gruppenverbinder 77 zu den Spulen 78 und 79 für den dritten Phasenpol läuft, um schliesslich durch den Gruppenverbinder 81 über die Spulen 82 und 83, die den vierten Phasenpol umfassen und über den Endverbinder 84 an den Verbindungspunkt 11 zu gelangen.
Von dem Verbindungspunkt 11 wird der Stromkreis durch die entsprechende Phase der Nieder- spannungswicklung 53 hindurchgeführt, angefangen mit den Spulen 86 und 87 durch alle vier Pole zu dem neutralen Endpunkt T 4, der der Sternpunkt der im Stern verbundenen Wicklung ist.
. Ein Vergleich zwischen den Niederspannungsspulen 86 und 87 und den Hochspannungsspulen 72 und 73 des gleichen Poles zeigt, dass die Niederspannungsspulen zwei Nutteilungen zur Linken der
Hochspannungsspulen liegen, so dass die Niederspannungswicklung 2/12 von 1800 oder 300 in der
Phase von der Hochspannungswicklung abweicht, was dieselbe Wirkung ergibt wie eine gesehnte
Wicklung.
Es ist bereits darauf hingewiesen, dass die Stirnverbindungen der Spulen in vier Lagen in axialer Richtung nebeneinander angeordnet sind, die in Fig. 2 die Bezeichnungen 67 bis 70 führen. Alle diese Lagen sind gleich geneigt um den Umfang des Eisenkerns und kreuzen einander nicht. Für die Über- gänge von einer Lage zu einer andern sind Bögen 89 und 90, wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, vorgesehen.
In jeder Einschichtwicklung bestehen die in den Lagen 67 bis 70 angeordneten Endverbindungen aus
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Leitern, die vor oder nach jeder zweiten Nut herausragen, so dass der Abstand der Endverbindungen am Umfang jeder Lage der Endverbindung zwei Nutteilungen entspricht.
Fig. 4 zeigt diesen Abstand der Endverbindungen klarer. Sie zeigt eine Endansicht einiger
Spulen der Niederspannungswicklung 53. Die Enden 92, 93 und 94 liegen in der konischen Lage 67 und die Enden 95,96, 97 und 98 liegen in der Lage 68. Wie ersichtlich, kommen die benachbarten
Enden 92 und 93 einer Lage aus Nuten 55, die um zwei Nutteilungen voneinander entfernt sind.
Zum Vergleich zeigt die Fig. 5 eine entsprechende Ansicht einer Doppelschiehtwicklung, bei der nur zwei konische Lagen von Endverbindungen auf jeder Seite der Maschine für die ganze Wicklung vorhanden sind. Die Enden 101, 102 und 103 sind in einer Lage und die Enden 104, 105 und 106 in der andern Lage angeordnet.
Die benachbarten Enden. ! M und 102 kommen aus benachbarten
Nuten 55',
Ein Vergleich der Fig. 4 und 5 zeigt, dass der Abstand 107 zwischen den Mitten benachbarter
Endverbindungen in jeder konischen Lage der Einschichtwicklung (Fig. 4) nahezu zweimal so gross wie der entsprechende Abstand 108 für die Doppelschichtwicklung ist, während der Luftabstand 109 zwischen benachbarten Einschicht-Endverbindungen (Fig. 4) ungefähr dreimal so gross ist wie der
Luftabstand 110 zwischen benachbarten Endverbindungen der Zweischichtwicklung (Fig. 5). Die
Bedeutung, die diese grösseren Abstände bei der Einschichtwicklung für die Vermeidung von Glimm- feuer haben, ist leicht zu verstehen.
In Fig. 6 ist noch eine Doppeldeck-Einschichtwicklung dargestellt, bei der die benachbarten
Verbindungen 112 und 113 von Spulen derselben Phase in jeder der konischen Lagen der Endver- bindungen einen Abstand von einer Nutteilung haben, während die benachbarten Enden 113 und 114 von verschiedenen Phasen angehörigen Spulen einen Abstand von drei Nutteilungen haben, wodurch noch grösserer Schutz gegen Glimmfeuer gegeben ist, als in der in Fig. 1-4 dargestellten Wicklung.
Fig. 6 zeigt zugleich eine Abwandlung der vorliegenden Erfindung, insofern die einzelnen Spulen, wie die Spulen 112 bis 115, eine Sehnung von fünf Sechstel der Polteilung besitzen, und die entsprechenden
Phasen der Hoch-und Niederspannungswicklung so miteinander verbunden sind, dass die entsprechenden
Teile der beiden Wicklungen einen Phasenunterschied von 300 besitzen, womit dieselbe Wirkung erreicht wird wie in der in Fig. 1 gezeigten Wicklung, wobei sich aber kürzere Endverbindungen ergeben.
Das Problem, eine Hochspannungs-Generatorwieklung zu bauen, ist solange nicht vollständig gelöst, als die Wicklungsisolation nicht so stark gemacht werden kann, dass sie den Überbeanspruchungen standhält, die an jedem Netz,'an das der Generator eingeschlossen ist, auftreten. Diese Über- beanspruchungen, die insbesondere durch Funkenentladungen erzeugt werden, rufen zwei Wirkungen in der Isolation hervor. Erstens kommt die Spannungsbeanspruchung der Spule 61 (Fig. 3) zwischen benachbarten Spulenwindungen, besonders in den Spulen an den Leitungsenden, in Frage, die während einer Entladung auftritt. Zweitens besteht die Gefahr eines plötzlichen Zusammenbruches der Isolation zwischen jeder Spule und Erde bzw. dem Maschinengehäuse.
Es ist bekannt, dass das Problem der besonders ungleichmässigen Verteilung der Überspannung zwischen aufeinanderfolgenden Wicklungsspulen, die den Kurzschluss zwischen überbeanspruchten
Windungen hervorruft, dadurch gelöst werden kann, dass Wellen mit steiler Stirn nicht an die Wicklung herangelassen werden. Hiezu kann ein Wellensenker der bekannten Art verwendet werden. Wie in
Fig. 1 und 6 gezeigt, ist jede Leitung L 1, L 2 und L 3 zuerst durch einen Blitzableiter 116 mit Erde verbunden, um die Grösse oder die grösste Spannungsspitze der einfallenden Überspannung zu begrenzen ; danach ist eine Drosselspule 117 in die Leitung eingelegt. Hinter dieser ist eine geerdete Kapazität 118 an die Leitung angeschlossen, um die hereinkommende Überspannung zu senken und das Anschwellen auf den Höchstwert zu verzögern.
Vorteilhaft wird noch ein zweiter Blitzableiter 119 parallel zu der
Kapazität 118 gelegt, um den möglichen Höchstwert der gesenkten Welle zu begrenzen. Durch diese bereits bekannten Mittel ist es möglich, ernste Probleme, die sich aus der ungleichmässigen Verteilung der Überspannung zwischen den aufeinanderfolgenden Windungen einer Wicklung ergeben können, zu vermeiden und damit die Wicklungsisolation zu schützen.
Das Problem, die Isolation zwischen den einzelnen Spulen und Erde gegen Überspannungen zu sichern, ist ernster. Es soll dadurch gelöst werden, dass Blitzableiter 121, 122 und 123 vorgesehen werden, die zwischen die Verbindungspunkte 11, 12 und 13 und Erde gelegt werden. Diese Blitz- ableiter begrenzen nicht nur den grösstmöglichen Scheitelwert der Überspannung, der die Nieder- spannungswicklungen 53 erreichen kann, sondern verbessern auch die Verteilung der Überspannung zwischen den einzelnen Windungen der verschiedenen Einzelspulen und auch zwischen den ver- schiedenen Spulen der Wicklung.
Wenn so jede der Spulen der Niederspannungswicklung nur einen geringen Prozentsatz mehr als den ihr zukommenden Anteil der einfallenden Überspannung über- nimmt, werden die Spannungsbeanspruchungen zwischen aufeinanderfolgenden Windungen jeder
Spule nicht übermässig gross ausfallen, aber der gesamte Potentialunterschied zwischen der letzten Niederspannungsspule und Erde kann wohl viel grösser sein als die Niederspannungs-Erd-Isolation aushalten würde.
Wenn die Blitzableiter 121, 122 und 123 in Verbindung mit passenden Nullpunkterdungs- mitteln, wie einer Drossel 124 in Fig. 1, oder einem Blitzableiter 125 in Fig. 6, gebracht werden, wird
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die Verteilung der Überspannung zwischen den Spulen der Generatorwicklung so verbessert, dass die übermässigen Beanspruchungen zwischen Spule und Erde verhindert werden.
Im vorliegenden sind die glimmfeuerverhindernden Überzüge an den geraden Spulenseiten und an Teilen der Stirnverbindung nicht dargestellt, obwohl auch sie mit Vorteil angewendet werden und wahrscheinlich angewendet werden müssen.
Die sinngemässe Anwendung der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine wirtschaftliche Ausführung von grossen Wechselstromgeneratoren für erheblich grössere Spannungen als bisher vorteilhaft waren. An den Wicklungen dieser Maschinen tritt beim Anlegen der vorgeschriebenen Prüfspannungen kein Glimmfeuer auf und die Wicklungen widerstehen auch Überspannungen, die durch Funkenentladung im Netz hervorgerufen werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Wechselstrommaschine, insbesondere Mehrphasen-Wechselstrommaschine, gekennzeichnet durch mehrere übereinander angeordnete Einschichtwicklungen mit mehreren Leitern je Spulenseite.