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Elektrische Maschine
Elektrische Maschinen und Transformatoren bestehen in ihrem grundsätzlichen Aufbau immer aus einem oder mehreren, ganz oder mindestens teilweise eingeschlossenen magnetischen Kreisen mit mindestens einer stromdurchflossenen Wicklung. Es lassen sich sehr beachtliche Ersparnisse an Material erzielen, was sich sowohl auf das Fertiggewicht als auch in den Herstellungskosten und im Gebrauchswert günstig auswirkt, wenn man die Wicklung in jener Zone, wo der Wicklungsquerschnitt für die Eisenweglänge massgebend ist, mit reduziertem Leiterquerschnitt in dichtestmöglicher Packung ausführt.
Die Ausführung einer elektrischen Maschine mit einer Wicklung, deren Leiter längs eines Windungsumfanges ungleiche Querschnitte aufweist, ist in der österr. Patentschrift Nr. 9903 vorgeschlagen. Diese Ausführung hat im wesent- lichen eine Erhöhung des spezifischen Strom- belages am Läuferumfang einer Gleichstrom- maschine zum Ziel, lässt aber das ausschlaggebende
Problem der Verlustabfuhr völlig offen, wobei überdies der Hinweis, den Zuwachs an Wider- stand, der durch die Querschnittsvermmderung der Nutleiter entsteht, durch Vergrösserung der
Querschnitte im Wickelkopf auszugleichen, als verfehlt anzusehen ist.
Die Schweizer Patentschrift Nr. 223637 bringt in dieser Hinsicht als Dimensionierungsregel die Angabe einer Querschnittsverminderung auf 10 0 und erledigt die Frage der Verlustabfuhr mit ganz allgemeinen Hinweisen auf zusätzliche Hilfsmittel, wie Kuhlfahnen oder Kühlkanäle und dergleichen.
Eine praktisch ausnützbare Auswertung des Grundgedankens muss vor allem dem Problem der Verlustabfuhr gerecht werden, das nur durch Tolerierung eines zusätzlichen Gliedes in der Serie der Wärmewiderstände, dem nötigen Temperaturgefälle für eine Wärmelängsleitung im Einzelleiter und dementsprechende Dimensionierung, lösbar ist. Mit einer direkten Abfuhr der in der Zone mit geschwächtem Leiterquerschnitt frei werdenden Verlustwärme, also annähernd quer zum Einzelleiter, kann nur in sehr beschränktem Ausmass gerechnet werden, weil sonst auch in dieser Zone Zirkulationsräume für das Kühlmittel vorgesehen werden müssten, die den Effekt der Verminderung der Leiterquer- schnitte durch Verkleinerung des Füllfaktor sehr abschwächen würden.
Die Tolerierung des vorerwähnten zusätzlichen Gliedes in der Serie der Wärmewiderstände, also eine scheinbare Verschlechterung in der Auslegung der Wicklung, bringt die Freiheit, diese in der Zone mit dem reduzierten Leiterquerschnitt dichtestmöglich zu packen, wobei der Füllfaktor nur durch die Rücksichtnahme auf die Isolationssicherheit, dagegen keineswegs auf direkte Wärmeabfuhr bzw. Kühlmittelzirkulation bestimmt wird, und ergibt damit einen praktischen Effekt. Auf diese Art lässt sich, bezogen auf den Querschnitt des ungeschwächten Leiters, in der verdichteten Wicklungszone ein scheinbarer Füllfaktor erzielen, dessen Wert gegenüber dem bisher üblichen sehr hoch liegt und etwa 3 bis 4 erreichen kann.
Über die Möglichkeit der Wärmelängs1eitung bzw. über das dazu nötige Temperaturgefälle geben die Fig. 1-4 Aufschluss. Die Fig. 3 zeigt ein Leiterstück, bei dem auf die Strecke. 2/ der Querschnitt im Verhältnis h - 1 M vermindert ist. Es ist nun weiters gedacht, dass von dem geschwächten Leiterstuck eine direkte Wärmeabfuhr an die äussere Umgebung nicht möglich ist, vielmehr eine vollkommene Wärmeisolierung besteht und die in diesem Leiterstück anfallende Verlustwärme nur längs des Leiters selbst, nach beiden anschliessenden, ungeschwächten Leiterstücken hin, abfliessen kann. Dieser Wärmefluss erfordert selbstverständlich ein entsprechendes Temperaturgefälle.
Das Temperaturgefälle errechnet sich für Kupfer nach der rormel
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wobei ! j die spezifische Stromdichte in A, nun2 in diesem Leiterstück, leu die Leiterlänge in Zentimetern bedeutet. Handelt es sich um einen Leiter, der bereits im vollen Querschnitt die Stromdichte is besitzt und dessen Querschnitt auf einem Stück un Verhältnis h/H == l ü reduziert ist (Fig. 3), so errechnet sich das Temperaturgefälle zu
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Moderne elektrische Maschinen arbeiten im Mittel bereits mit einer Stromdichte von 4 A/m.
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Eine Reduktion des Querschnittes an Teilstücken des Leiters auf 4%, im Sinne der vorerwähnten Schweizer Patentschrift würde also einer Stromdichte von 100 Alms2 entsprechen. Bei dieser Stromdichte ergibt sich auf den ersten Zentimeter Wärmelängsleitung aus Diagramm Fig. l bereits ein Temperaturgefälle von 30 C, für 5 cm Wärmelängsleitung schon der völlig untragbare Wert von 7500 C.
Die angegebene Dimensionierungsregel ist also vielleicht für Miniaturapparate, Relais u. dgl. brauchbar, versagt aber schon im kleinen und mittleren Leistungsbereich elektrischer Maschinen und Transformatoren vollständig. Eine praktisch ausnützbare Anwendung des Prinzips auf Maschinen oder Transformatoren von auch nur wenigen kW Leistung erscheint nach der vorangeführten Dimensionierungsregel, wie die angeführten Rechnungswerte für das nötige Temperaturgefälle zeigen, hoffnungslos.
Trotzdem lassen sich wirtschaftlich recht beachtliche Erfolge erzielen, sofern Dimensionierung und Ausführung so erfolgt, dass : a) ein Temperaturgefälle für Wärmelängsleitung von etwa 30% des gesamten zwischen höchstzulässiger Wicklungstemperatur und Kühlmitteltemperatur vorhandenen Gefälles vorgesehen wird, b) die Wicklung ausserhalb der eisenumschlossenen Zone grossflächig und aufgelockert ausgeführt wird, wobei vorzugsweise jede einzelne Windung, mindestens aber Gruppen mit ganz wenigen Windungen selbständige, flächenhafte Kühlelemente bilden.
Günstigere Verhältnisse, d. h. kleinere Temperaturgefälle bzw. grössere durch Wärmeleistung überbrückbare Strecken, ergeben sich, wenn die Querschnittsreduktion nicht entsprechend Fig. 3 über ein endliches Stück konstant gehalten, sondern nur in Form eines Einschnittes nach Fig. 4 vorgesehen wird. Das Temperaturgefälle errechnet sich dann zu
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von ü beachtlich kleiner als Ü2 bleibt. Die Einsparung an notwendigem Temperaturgefälle ist, w as Diagramm Fig. 2 zeigt, besonders bei höheren Werten von ü überraschend hoch :
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Eine derartige Formgebung für den Leiter ist, sinngemäss ausgeführt, beispielsweise bei Transformatoren mit annähernd rundem oder ovalem Schenkelquerchnitt und Rundspulen besonders vorteilhaft (Fig. 5).
Durch die Reduktion des Leiterquerschnittes zusammen mit der Erhöhung des Füllfaktors wird nicht nur eine beachtliche Verkürzung der Eisenweglänge erreicht, man kann unter Umständen auch die Sättigung höher wählen, also entweder an Eisenquerschnitt oder an Windungszahlen einsparen und damit die Materialausnützung nochmals wesentlich verbessern.
Die in der dichtgepackten, mit geschwächtem Leiterquerschnitt ausgeführten Zone frei werdende Verlustwärme wird also aus dieser Zone im wesentlichen durch Wärmelängsleitung nach der Zone der Wicklung mit ungeschwächtem Leiterquerschnitt hin abgeführt. Das für diesen Wärmefluss vorzusehende Temperaturgefälle kann auch bei grösseren Maschinen und Transformatoren in durchaus tragbaren Grenzen gehalten werden (Fig. 1-4) und braucht 30% des gesamten zwischen Wicklungstemperatur und Kühlmitteltemperatur zur Verfügung stehenden Gefälles nicht zu überschreiten.
Bei der Ausführung der Wicklung in der Zone mit ungeschwächtem Leiterquerschnitt ist nun vor allem darauf Bedacht zu nehmen, dass dieser Wicklungsteil nicht nur seine eigenen Verluste, sondein auch die Verluste aus der anderen Zone an das Kühlmittel abzuführen imstande sein muss.
Die Wicklung wird daher in dieser Zone stark aufgelockert und grossflächig ausgeführt, beispielsweise so, dass ede einzelne Windung, mindestens aber jede Wir''1gsgruppe von ganz wenigen (zwei bis viel Windungen als selbständiges flächenhafte Kuhlelement wirkt. Die Fig. 5 zeigt dafür als Ausführungsbeispiel einen Transformator mit Hochkantringwicklung.
Die Fig. 6 zeigt einen Transformator mit einer Wicklung aus bandförmigem Leitermaterial, das flach auf Zylinderflächen gewickelt ist.
Für das Ausmass der Auflockerung kann ein dem Füllfaktor äquivalenter Kennwert als Verhältnis von Summe der Leiterquerschnitte zur Summe der W1cklungsfläche definiert werden, der bei natürlicher Luftkühlung mit etwa 0-2, vorzugsweise kleiner zu wählen ist. Zur Definition der vorerwähnten Grossflächigkeit kann, wieder bei natürlicher Luftkühlung, eine Beanspruchung von etwa 500 W pro cm9) vorzugsweise weniger als Richtlinie gelten.
Wenn auch bei einem derartig ausgeführten Transformator zugegebenerweise an den Isthmusstellen der Stromleiter merklich erhöhte Verluste auftreten, so wird dies doch durch die verringerten Gesamtabmessungen und Gesamtgewicht kompensiert, so dass sich im Endergebnis etwa derselbe Wirkungsgrad wie für einen normal gebauten Apparat gleicher Leistung erreichen lässt.
Die Ersparnisse an Material bzw. Fertiggewicht, die auf dem angegebenen Weg erzielt werden können, sind ausserordentlich ; beispielsweise lassen sich an einem Streutransformator, welche Maschinentype für die Anwendung der vor- beschriebenen Baugrundsätze besonders günstige
Voraussetzungen mitbringt, 60-70% des bisher üblichen Gewichtes an aktivem Material einsparen.
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Die praktische Auswertung der vorstehenden Überlegungen ist an eine wirtschaftliche Fertigung der notwendigen Isthmuswicklung an sich und an eine den Bedingungen gerecht werdende Wicklungsordnung gleichermassen gebunden. Eine gut brauchbare Isthmuswicklung ergibt sich aus der bekannten Blankpolwicklung durch einen einfachen zusätzlichen Arbeitsvorgang. Die Elankpolwicklung besteht aus hochkantgebogenem Leitermaterial von rechteckigem oder annähernd rechteckigem Querschnitt und wird vorzugsweise für Rundspulen verwendet. Eine derartige Wicklung wird zur Isthmuswicklung durch Wegnahme eines Segmentes, wobei es belanglos ist, ob die Abnahme des Segmentes windungsweise durch Schneiden oder an der kompletten Spule durch Hobeln oder Fräsen erfolgt. Die Fig. 7 zeigt eine derartige Spule, die Fig. 5 ihren Einbau am Transformator.
In der Fig. 5 ist deutlich die dichtgepackte Zone mit reduziertem Leiterquerschnitt bzw. die Auflockerung der Wicklung in der Zone mit ungeschwächtem Querschnitt durch entsprechendes Zurechtbiegen der einzelnen Windungselemente erkennbar.
Bei Ausführung eines Transformators mit ringförmigem Eisenkern kann das Biegen der
Windungselemente erspart werden, da sich dabei die notwendige Auflockerung in der Kühlzone der Wicklung zufolge der räumlichen Anordnung - richtig gewählte Proportionen vorausgesetzt- von selbst ergibt.
Die einfache Hochkant-Isthmuswicklung nach
Fig. 7 kann, sofern höhere Windungszahlen not- wendig sind, entsprechend der Fig. 8 modifiziert werden. Diese Wicklung besitzt dann zwei oder mehrere ineinandergeschobene Einzelspulen. Bei der aussersten Spule erfolgt die Isthmusbildung wie früher durch Abnahme eines Segmentes, während bei den inneren Spulen ein mondförmiger
Flächenteil abgenommen wird.
Bekanntlich wird die Herstellung von Hoch- kantwicklungen mit zunehmendem Verhältnis
Bandbreite zu innerem Wickeldurchmesser immer schwieriger, u. zw. um so mehr, je dünner das zur Verwendung kommende Material ist. Es ist nun aus der österr. Patentschrift Nr. 151224 be- kannt, Hochkantwicklungen durch Stanzen und anschliessendes Falten aus Blechbändern herzu- stellen. Eine Modifikation dieses Verfahrens erweist sich auch für die Herstellung von Isthmus- wicklungen sehr geeignet. Die Fig. 10 bringt ein
Beispiel dafür.
Eine derartig hergestellte Wicklung ergibt aber an der fertigen Spule in den den Faltungskanten nachliegenden Zonen durch sich überdeckende
Wicklungsteile (schraffierte Flächen der Flg. 10 a) doppelte Spulenhöhe. Das wirkt sich macht nuer bei der Herstellung nachteilig aus, sondern erschwert auch den Einbau der Spulen. Wesent- lich günstiger verhält sich in dieser Richtung ein
Mäanderband nach Fig. 12, das im gefalteten
Zustand (Fig. 12 a) einander störende Über- deckungen der Faltungsstellen vermeidet und daher als Wicklungspaket einwandfrei über Dorn und in Form gepresst werden kann.
Bei der Wahl der Stanzform kann darauf Bedacht genommen werden, dass Flächenteile des ursprünglichen Bandes, die für den Stromfluss in der fertiggefalteten Wicklung überflüssig sind, also dem Verschnitt anheim fallen könnten, doch aktiv, u. zw. in Form von Kühlfahnen zur Ausnützung kommen. Es sind dies beispielsweise die in Fig. 12 mit KF bezeichneten lappenförmigen Fortsätze.
Die vorerwähnte Herstellung einer Windung oder Wicklung durch Umfalten eines Mäander- bandes nach Fig. 10 und 12 erfordert verhältnismässig teure und nur für das Einzelmodell verwendbare Werkzeuge. Man kann nun als Ausgangsmaterial für die Wicklung auch ein schmales Band, das in seiner Breite dem ungeschwächten Leiterquerschnitt entspricht, verwenden und die Einzelwindung durch mindestens dreimaliges, vorzugsweise viermaliges Umfalten pro Windung erzielen. Damit ergeben sich aber an den Faltungsstellen wieder verdoppelte Höhen des Wicklungspaketes.
Die Anordnung der Wickelköpfe in zwei Ebenen entsprechend dem Mäander der Fig. 12 bringt allein noch keine Abhilfe, weil sich in der Verlängerung der Isthmuszone eine Faltungsstelle mit einer einfachen Bandstärxe überdeckt, das Gesamtpaket also dort eine Höhe, die der Summe der eineinhalbfachen Leiterstärke entspricht, besitzen wurde und daher nicht montierbar wäre. Diese Schwierigkeit lässt sich überbrücken durch Anordnung je einer zusätzlichen, ganz kurzen Isthmussielle im Leiter beider- seits anschhessend ain den Hauptisthmus, die aber bereits ausserhalb aer eisenumschlossenen Zone der Wicklung liegen Es ergibt sich damit die in
Fig. 11 dargestellte Stanzform, wobei wiederum die Faltkanten strichpunktiert eingezeichnet sind.
Fig. 11 a zeigt wiederum das zur Wicklung umge- faltete Band mit Schraffierung der Überdeckungs- stellen an den Faltkanten.
Die bisher beschriebenen Ausführungsvarianten betreffen Transformatoren mit Scheibenspulen- anordnungen, für welche die Hochkantwicklung mit Rücksicht auf die Zusatzverluste besonders empfehlenswert erscheint. Grundsätzlich können aber auch Anordnungen ohne Benützung einer
Hochkantwicklung ausgeführt werden ; dafür bringt die Fig. 6 ein schematisches Beispiel. Als
Wickelmaterial dienen Bänder, bei denen der
Isthmus durch entsprechenden Zuschnitt gemäss
Fig. 9 hergestellt wird. Die Auflockerung der
Wicklung erfolgt durch Anordnung der Einzel- windungen oder der Windungsgruppen auf achs- parallelen Zylindern.
Den bisher beschriebenen
Verfahren zur Isthmusbildung ist gemeinsam, dass der rechteckige oder annähernd rechteckige Quer- schnitt des ungeschwächten Leiters zonenweise in seiner Breite reduziert wird, während die Band- stärke unverändert bleibt. Man kann aber auch umgekehrt die Leiterbreite über den ganzen
Windungsumfang belassen, dagegen seine Stärke zonenweise durch Quetschen, Pressen oder Walzen
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reduzieren. Auch die Kombination beider Verfahren, also eine Reduktion sowohl der Breite als auch der Stärke nach, ist möglich.
PATENTANSPRÜCHE : l. Elektrische Maschine, die aus mindestens einem mindestens teilweise eisengeschlossenen magnetischen Kreis besteht und mindestens eine stromdurchflossene Wicklung besitzt, deren Leiter längs eines Windungsumfanges mindestens zwei Zonen aufweisen, wobei in der Zone, deren Leitersummenquerschnitt für die Eisenweglänge massgebend ist, der Leiterquerschnitt reduziert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung in der vorerwähnten Zone dicht gepackt mit dem nur aus Isolationsgründen bedingten Füllfaktor unter Verzicht auf Kühlflächen oder Kühlkanäle in dieser Zone ausgeführt ist, wobei dimensionierungsmässig ein Temperaturgefällc, das einem Bruchteil des gesamten zwischen maximal zulässiger Wicklungstemperatur und Kühlmitteltemperatur bestehenden Gefälles,
maximal etwa 30% davon, entspricht, zwecks Abfuhr der Verluste vorgesehen wird, u. zw. nach der anderen Wicklungszone hin, die mit ungeschwächtem Leiterquerschnitt stark aufgelockert und grossflächig hergestellt wird, wobei vorzugsweise jede einzelne Windung, mindestens aber jede Gruppe von höchstens zwei bis vier Windungen als selbständiges flächenhafte Kühl- element wirkt.