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Wechselstromwicklung elektrischer Maschinen.
Es ist bekannt, dass in Leitern grossen Querschnitts, welche von Wechselströmen durchflossen werden, eine unter Umständen erhebliche Erhöhung der Verluste eintritt, weil sich der Wechselstrom ungleichmässig über den Querschnitt der Leiter verteilt. Diese Erscheinung wird verursacht durch die induzierende Wirkung des durch den Stromdurchgang durch den Leiter hervorgerufenen Eigenfeldes des letzteren. Ist hiebei der Leiter rundherum gleichmässig von einem unmagnetischen oder magnetischen Medium (z. B. Luft bzw. Eisen) umgeben, so lagern sich die Kraftlinien des Eigenfeldes konzentrisch um die Neutrallinie dieses Eigenfeldes, die in diesem Falle mit dem Mittelpunkt des Querschnitts zusammenfällt. Fig. 1 zeigt die Ausbildung des Eigenfeldes eines solchen Leiters.
Mit 1 ist die Querschnittfläche des Leiters bezeichnet, 2 ist der Mittelpunkt dieser Querschnittfläche und gibt gleichzeitig die Lage der Neutrallinie des magnetischen Eigenfeldes des Leiters an, welches von dem durchfliessenden Strom erregt wird. Die durch punktierte Linien angedeuteten Kraftlinien des Eigenfeldes lagern sich konzentrisch um diese Neutrallinie herum, wobei jedoch zu bemerken ist, dass diese Verteilung des Eigenfeldes unter der Annahme gleichmässiger Verteilung des Stromes über den Querschnitt des Leiters gilt.
Denkt man sich durch die Neutralliniq, des Eigenfeldes eine horizontale Schnittebene jd.-B gelegt, so teilt diese das Eigenfeld in einen oberen Teil, der als positiv, und einen unteren Teil, der als negativ bezeichnet werden möge.
Fig. 2 ist ein Diagramm der Felddichte, bezogen auf den Abstand des betrachteten Punktes von der Neutrallinie des Eigenfeldes. Die Felddichte ist hiebei durch den Abszissenwert f, der Abstand durch den Ordinatenwert h dargestellt. Aus Gründen, die hier nicht näher erörtert zu werden brauchen, ist die Zunahme der Felddichte in den der Neutrallinie des Eigenfeldes näher gelegenen Teilen konstant, ihre Kurve verläuft daher geradlinig, während in den entfernter gelegenen Teilen die Zunahme der Felddichte relativ etwas geringer wird und die Kurve daher eine leichte Abbiegung zeigt.
Wird ein solcher Leiter von Wechselstrom durchflossen, so schneiden bekanntlich die Kraftlinien des Eigenfeldes die Metallmassen des Leiters periodisch und induzieren in diesen elektromotorische Kräfte, deren Grösse in den verschiedenen Teilen des Leiterquerschnittes verschieden ist, u. zw. um so höher, je näher die betreffenden Teile des Leiterquerschnitts der Neutrallinie des Eigenfeldes liegen, woraus in bekannter Weise die als Stromverdrängung bezeichnete ungleichmässige Verteilung des Stromes über den Leiterquerschnitt folgt, derart, dass die Stromfäden von der Neutrallinie des Eigenfeldes des Leiters weggedrängt werden, so dass die äusseren Teile des Leiterquerschnitts eine höhere spezifische Strombelastung aufweisen als die inneren Teile.
Obwohl in Fig. 1 der Einfachheit der Darstellung halber ein einziger Leiter mit massivem Querschnitt angenommen wurde, liegen. die Verhältnisse ganz ähnlich, wenn man statt dieses Einzelleiters ein Bündel von mehreren Leitern annimmt, die in gleicher Richtung vom Strom durchflossen werden.
Ein solches Leiterbündel wurde sich bezüglich der Ausbildung seines Eigenfeldes wie ein einziger Leiter von entsprechendem Querschnitt verhalten.
Ähnlich liegen die Verhältnisse bei einem Leiter, der im Gegensatz zu Fig. 1 nicht rundherum gleichmässig, sondern einseitig von einem magnetisierbaren Medium, z. B. Eisen, umgeben ist, wie dies beispielsweise bei in Nuten von elektrischen Maschinen eingebetteten Leitern der Fall ist.
Die Fig. 3 und 4 zeigen die Ausbildung des Eigenfeldes des Leiters für einen solchen Fall. Mit 1 ist wieder die Querschnittfläche des Leiters bezeichnet, mit 2 die Neutrallinie des Eigenfeldes desselben,
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mit 3 das den Leiter von drei Seiten umgebende wirksame Eisen. Wie die Figur zeigt, fällt in diesem Fall die Neutrallinie 2 des Eigenfeldes nicht mit dem Mittelpunkt des Leiterquerschnitts zusammen, sondern liegt exzentrisch an der dem Nutengrunde zugekehrten Kante des Leiters, infolgedessen findet die Stromverdrängung in diesem Fall nach der Öffnung der Nut hin statt. Da man ferner die Zunahme der Felddichte über die ganze Leiterhöhe h als konstant annehmen kann, so verläuft sie, wie Fig. 4 zeigt, geradlinig.
Auch in Fig. 4 ist die Felddichte f durch den Abszissenwert, der Abstand 7t des betrachteten Punktes von der Neutrallinie des Eigenfeldes durch den Ordinatenwert dargestellt. Das Eigenfeld des Leiters ist hier gleichbedeutend mit dem als Nutenquerfeld bekannten magnetischen'Feld.
Um die beschriebene Wirkung der Stromverdrängung aufzuheben, ist es üblich, eine Unterteilung der Leiter in eine Anzahl parallelgeschalteter und voneinander isolierter Teilleiter vorzunehmen, die miteinander verdrillt oder verschränkt sind, so dass die in den einzelnen Teilleitern induzierten E. M. Ke. möglichst gleich werden. Diese Anordnung verwendet man mit Vorteil nicht nur bei in Nuten eingebetteten Stabwicklungen elektrischer Maschinen, sondern auch bei Spulenwicklungen, bei denen eine Anzahl von Teilleitern in Parallelschaltung verwendet sind, u. zw. ist es üblich, die Spulenköpfe derart zu verdrehen, dass der in der einen Nut am Nutengrunde liegende Teilleiter in der zweiten, von der gleichen
Spule durchlaufenden Nut in der Nähe der Nutenöffnung angeordnet ist.
Eine theoretische Untersuchung zeigt, dass, wenn man die beschriebene als Stromverdrängung bezeichnete Wirkung des Nutenquerfeldes vermeiden will, die Anordnung der Teilleiter so getroffen werden muss, dass der im folgenden mit M
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leiters vom Grunde des Stabes oder der Spule und I die Länge eines Einzelstücke, innerhalb derer der Abstand h unverändert bleibt.
Macht man nun die Voraussetzung, dass ein Teilleiter nacheinander gleich lange Stücke der Gesamtlänge L in Abständen i, 3 usf. dulchläuft, so wird offenbar der Wert M proportional der Summe der Quadrate dieser h-Werte. Bezeichnet man demnach bei einer aus Flachleiter bestehenden Spule, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, von unten nach oben die Teilleiter mit Nummern, welche die aufeinanderfolgenden Schichten in der Nut und gleichzeitig einen dem Abstand der betreffenden Schicht von der Unterkante des Nutenkupfers proportionalen Wert angeben, so wird der M-Wert irgendeines Teilleiters unter der obigen Voraussetzung der Summe der Quadrate der von ihm durchlaufenen Schichtnummern proportional sein.
Beispielsweise möge eine aus drei Windungen bestehende Spule betrachtet werden, die vier parallelgeschaltete Teilleiter a, b, c, d besitzt und bei der keinerlei Verdrehung vorgenommen ist, so dass die Anordnung der Teilleiter in den Nuten ausfällt wie in Fig. 5 dargestellt, so wird der M-Wert für die Teilleiter a, b, c, d wie folgt :
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Für diese Anordnung ist also der M-Wert der Teilleiter ausserordentlich verschieden, u. zw. wird Mm'n = 0,48. Die bereits erwähnte bekannte Verdrehung der Wickelköpfe hat zur Folge, dass die max Anordnung der Teilleiter in den Nuten die in Fig. 6 dargestellte wird.
Die Reihenfolge derselben ist in
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die M-Werte der Teilleiter :
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Die Verschiedenheit der M-Werte ist praktisch ausgeglichen, denn es wird jetzt Min = 0,96. max
Die beschriebene Verdrehung der Wiekelköpfe hat jedoch fabrikationstechnische Nachteile, und es ist in hohem Masse wünschenswert, die Verschiedenheit der M-Werte auszugleichen, ohne die Herstellung der Wicklung wesentlich zu erschweren.
Dieses wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die Gruppe von Teilleitern, welche die Windung bildet, zunächst ohne irgendwelche Verdrehung durch den unteren und mittleren Teil der Nuten gewickelt wird, worauf dann eine einmalige Verdrehung erfolgt, derart, dass die Reihenfolge der Teilleiter im oberen
Teil der Nut sich umkehrt. In der Anwendung der Erfindung auf die beschriebene, aus dreiwindungen bestehende Spule, durchläuft man zunächst unter Beibehaltung der Reihenfolge der Teilleiter a, b, e, d die erste und die zweite Windung und geht dann in der umgekehrten Reihenfolge der Tdleiter d, e, b, a durch die dritte Windung. Es ergibt sich so die in Fig. 7 dargestellte Anordnung.
Bildet man für diese
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wiederum die M-Werte der einzelnen Teilleiter durch Summierung der Quadrate der durchlaufenen Schichtnummern, so erhält man :
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Es zeigt sich, dass diese Anordnung praktisch ebenso gut ist, wie die durch Umkehrung der ganzen Wickelköpfe erzielte, denn es ist : min = 0, 93. max
Wenn man eine aus vier Windungen bestehende Spule hat, so wird man in ähnlicher Weise eine Umkehr der Reihenfolge der Teilleiter nach der dritten Windung vornehmen. Bei fünf Windungen pro Spule kann man die Umkehr entweder nach der dritten oder nach der vierten Windung bewirken.
Die Umkehrstelle wird vorzugsweise im Wickelkopf liegen, kann aber auch in der Nut selbst angeordnet sein. Als Mittel zur Bewirkung der Umkehr können hiebei auch die bekannten Anordnungen verschränkter Stäbe benutzt werden. Das beschriebene Prinzip lässt sich ohne weiteres auch auf eine Spulenserie anwenden, sowie auch auf eine Stabwicklung mit mehreren Stäben pro Nut. Hat man beispielsweise eine Stabwicklung mit drei Stäben pro Nut und je vier parallelgeschalteten Teilleitern, wodurch sich eine Anordnung der Teilleiter in der Nut ergibt, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, so kann man die Stäbe durch aus Teilleitern bestehende Bügel derart miteinander verbinden, dass jeweils der der Nutenöffnung benachbarte Stab in bezug auf die Reihenfolge der ihn bildenden Teilleiter gegenüber den beiden unteren Stäben umgedreht ist.
Es können hiebei entweder jeweils zwei der unteren und sodann ein oberer Stab durchlaufen werden oder man könnte auch beispielsweise zunächst die beiden unteren Stäbe aller Nuten einer Phase durchlaufen und sodann nach Umkehr der Reihenfolge der Teilleiter die entsprechenden oberen Stäbe durchlaufen. Viele andere Kombinationen sind möglich, und das beschriebene Prinzip lässt sich auf zahlreiche der bekannten Wicklungen anwenden.
Schliesslich ist es auch noch möglich, das den Gegenstand der Erfindung bildende Prinzip zur Ausbildung eines stromverdrängungsfreien Stabes zu verwenden, dessen Teilleiter an beiden Enden miteinander verbunden sind.
Denkt man sich bespielsweise einen aus 12 parallelen Teilleitern bestehenden Stab, wie er im Querschnitt in der Fig. 8 dargestellt ist, so kann man in demselben zwei Verschränkungsstellen vorsehen,
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den untersten Teil und sodann den mittleren Teil der Nut durchläuft. Hierauf tritt eine Umkehr der Reihenfolge ein und die Gruppe I durchläuft dann den obersten Teil der Nut im letzten Drittel der Eisenlänge in der Reihenfolge d, c, b, a. Betrachtet man die Linienführung der Gruppen II und III, so erkennt man, dass sie der Gruppe I genau gleichwertig sind, indem hier wie dort die Teilleiter in jeder Teilleitergruppe im unteren und mittleren Drittel der Nutenhöhe die gleiche, im oberen Drittel dagegen die umgekehrte Reihenfolge aufweisen.
Berechnet man jetzt für die einzelnen Teilleiter dieses Stabes die M-Werte aus der Summe der Quadrate der durchlaufenen Sehichtnummern, so ergibt sich, dass dieselben praktisch gleich sind. Man findet nämlich
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Es ist bei dieser Berechnung vorausgesetzt, dass der Einfluss der Verschränkungsstellen selbst entweder vernachlässigt werden kann oder aber kompensiert ist und dass die im Eisen liegenden jeweils einer Schichtnummer zugeordneten Längen eines Teilleiterzuges einander gleich sind. Diese Voraussetzungen brauchen jedoch nicht unbedingt erfüllt zu sein.
Man kann vielmehr unter Umständen gerade durch eine gewisse ungleiche Bemessung der jeweils einer Schichtnummer zugeordneten Längen eine noch
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vollkommenere Ausgleichung der M-Werte erreichen, insbesondere auch mit Rücksicht auf den Einfluss der Versehränkungsstelle. Die Verschränkung kann beispielsweise durch seitlich angebrachte Verbindungbügel bewirkt werden, wobei zur Vermeidung eines seitlichen Wulstes die Flachleiter an der Verschränkungs- stelle schmaler gehalten sind. Statt dessen kann auch in an sich bekannter Weise ihr Querschnitt derart umgeformt werden, dass die Versohränkung ohne äusserliche Verdickung der Versehränkungsstelle bewirkt wird.
Die Erfindung beschränkt sich im übrigen nicht auf in Nuten eingebettete Wioklungsstäbe oder - spulen elektrischer Maschinen (einseitig umgebendes magnetisches Medium) sondern ist ganz allgemein für beliebige Wicklungselemente, z. B. auch für die Wickelköpfe elektrischer Maschinen und Apparate (gleichmässig umgebendes unmagnetisches Medium) verwendbar.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Wechselstromwieklung elektrischer Maschinen und Apparate, deren Wicklungselemente aus voneinander isolierten parallelgeschalteten Teilleitern bestehen und mindestens drei hintereinandergeschaltete Teilstrecken durchlaufen, die in verschiedener Entfernung von derNeutrallinie des magnetischen Eigenfeldes des Nuteninhalts angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mehrzahl der Teilstrecken, u. zw. in den der Neutrallinie des Eigenfeldes zunächstliegenden, eine bestimmte Reihenfolge der Teilleiter und in der verbleibenden Minderzahl der Teilstrecken, welche von der Neutrallinie des Eigenfeldes entfernt liegen, eine andere Reihenfolge der Teilleiter eingehalten wird (Fig. 7).