Einrichtung zur Neutralisierung der magnetisierenden Wirkungen der Wickelköpfe von Wechselstrommaschinen. Es ist bekannt, dass gelegentlich bei grossen Wechselstrommaschinen Schwierig keiten durch Erhitzung von Wicklungs schildern, Pressplatten und Gehäusen auf traten, die mit Recht auf Wirbelstrombildung zurückgeführt wurden. Dabei war es auf fallend, dass bei Maschinen gleicher Grösse und gleicher Ausnützung nur in manchen scheinbar unregelmässigen Fällen die Schwie rigkeiten bemerkt wurden.
Genaue Unter suchungen haben nun gezeigt, wann die Schwierigkeiten nach der Natur der Wick lung erwartet werden können, und haben das in der folgenden Beschreibung erläuterte Verfahren gezeitigt, um schädliche Wirbel strombildung zu unterdrücken.
Auf die Wicklungsschilder und Press- platten können in erster Linie die Leiter der Wickelköpfe induzierend wirken. Nun gibt es zwei grundsätzlich verschiedene Anord nungen der Wickelköpfe in mehrpoligen Maschinen. In Fig. 1 ist schematisch eine vierpolige Einphasenwicklung dargestellt. Die Ströme in den Leitern 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 fliessen zu einer gewissen Zeit im Sinne der Punkte und Kreuze, die Ströme in den Endverbindungen im Sinne der Pfeile.
Während in der Verbindung von 1 nach 2 und von 5 _ nach 6 der Strom die Achse in der Richtung des Uhrzeigers umfliesst, fliesst er in der Verbindung von 3 nach 4 und von 7 nach 8 entgegengesetzt, so dass wohl kleine lokale Streuflüsse, aber keine Gesamt- magnetisierurig in der Richtung der Maschi nenachse erfolgt.
Ordnet man dagegen, wie in Fig. 2, die Endverbindungen nur in zwei statt in vier Wickelköpfen an, zum Beispiel um zu ermöglichen, dass der ruhende Aussen anker einer Maschine horizontal geteilt wird, ohne dass die Wicklung aus den Nuten her ausgenommen werden müsste, so ergibt sich, dass der Strom in allen Endverbindungen in dem in Fig. 2 dargestellten Zeitpunkt die Achse im Sinne des Uhrzeigers umfliesst.
Auch dreiphasige Wicklungen müssen häufig zur Erzielung einer Teilbarkeit des Ankers so angeordnet werden, dass ebenso wie bei der einphasigen, in Fig. 2 dargestell- ten Wicklung eine Magnetisierung in der Längsachse erfolgt. Das so erzeugte Wech selfeld hat die Tendenz, in allen in der Nähe befindlichen Leitern koaxiale, entgegen gesetzt gerichtete Ströme zii erzeugen.
Es können daher Ströme in Wicklungsschildern, in den Pressplatten des Ankerpresskörpers und im Gehäuse selbst enstehen. Diese Teile sind meist aus Guss- oder Flusseisen hergestellt; Wechselströme in Eisen wer den durch die Hautwirkung an die Ober fläche gedrängt; der Eisenkörper bietet daher einen hohen Widerstand, und die Verluste, auch die Erwärmung, in diesen Eisenteilen können, besonders bei Maschinen für hohe Leistung, beträchtlich werden.
Versucht man die Ströme durch Isolierung der einzelnen Eisenteile voneinander zu un terbrechen, so vergrössert man das von den Strömen erzeugte Feld, weil nun den Pri märströmen verringerte Sekundärströme ent gegenwirken, und es wird unter Umständen Erwärmung in fernab liegenden Teilen her vorgerufen. Auch kann eine unvollständig durchgeführte Isolation sehr nachteilig sein, weil dann der Strom, dessen Endstellung ver hindert werden sollte, über einen schlechten Kontakt sich schliesst und gefährliche ört liche Erwärmung erzeugt.
Bei wirksamer Verhinderung von Sekundärströmen in den Pressplatten und andern Konstruktionsteileu bildet sich anderseits, wie bereits erwähnt, das Wechselfeld in der Richtung der magne tischen Achse stärker aua und gibt Anlass zu schädlichen Lagerströmen.
Man hat in manchen Fällen versucht, die Erwärmung der Wicklungsschilder und Pressplatten dadurch zu verringern, dass man sie aus unmagnetischem Material von ver hältnismässig hohem Widerstand, zum Bei spiel aus Bronze, hergestellt hat. Dieses Auskunftsmittel ist teuer.
Gemäss vorliegender Erfindung wird den Sekundärströmen durch kurzschliessende Ringe ein möglichst widerstandsloser Weg geboten. auf dem sie sich mit geringen Ver lusten zu solcher Grösse entwickeln können, dass sie die magnetisierenden Wirkungen des Stromes in den Wicklungsköpfen möglichst vollständig aufheben. Diese Ringe werden zweckmässig aus Kupfer oder sonst einem sehr gut leitenden Material hergestellt, und es wird bei der Anfertigung der Ringe aus mehreren Teilen für gut leitende Verbindung der Teile untereinander Sorge zu tragen sein.
Da. man die Zahl der Amperewindungen im Wickelkopf bei normaler Belastung und bei irgend einer bestimmten Überlast genau be rechnen kann und der Strom in dem Se kundärring geringen Widerstandes der geo metrischen Summe der Amperewindungen der Wickelköpfe nahezu entgegengesetzt gleich ist, so lässt sich der Querschnitt des Kurzschlussringes so dimensionieren, dass der Energieverlust im Ring einen bestimmten kleinen Betrag erreicht.
In grossen Maschinen entfallen auf die Wickelköpfe viele tausend Amperewindungen, und es müssen daher die Wickelkopf-,Iiurzschlussringe für viele tau send Ampere dimensioniert sein. Wenn man sie aus Kupfer oder einem andern sehr gu ten Leiter herstellt, so kann dies aber mit geringem Energieverlust und weit weniger Kostenaufwand geschehen, als wenn man Pressringe und Wicklungsschilder aus un- magnetischem Material herstellt.
Die Kurz schlussringe schützen dritte Körper, zum Beispiel Wicklungsschilder, Endplatten, Ge häuse, da, die Amperewindungen der Wickel köpfe durch die des Kurzschlussringes fast ganz neutralisiert werden. Dies findet so wohl bei normaler Belastung, als bei plötz lichem Kurzschluss der Maschinenklemmen statt, bei dem bekanntlich der Strom manch mal das Zehnfache des normalen Wertes und noch mehr erreicht.
Von grossem Wert ist es, die aus elek trischen Gründen vorhandenen Kurzschluss- ringe dieser Erfindung auch zu einer me chanischen Versteifung der Wicklungsköpfe für den Fall des plötzlichen Kurzschlusses zu verwenden. Fig. 3 ist ein .Schnitt durch den Wickelkopf einer grossen dreiphasigen Maschine.
IF sind die Wickelköpfe, E ist die Endscheibe (Pressplatte) des Eisenblech körpers der Maschine, B das Wicklungs- Schild, das eine zufällige Berührung der -\@'icklung verhindert und am gusseisernen Gehäuse befestigt ist. Um Verlagerungen bei plötzlichem Kurzschluss' zu vermeiden, werden in bekannter Weise Schraubenbolzen S und metallene Pressstücke P verwendet, die mittelst zsolierender Zwischenstücke z die Wickelköpfe gegeneinander und gegen die Pressplatte E stützen.
Da bei ganz gro ssen Maschinen trotz dieser scheinbar starken Konstruktion bei plötzlichem Kurzschluss gelegentlich eine Verlagerung der Wickel köpfe mit Abbiegen der Bolzen und daher dauerndem Schaden eingetreten ist, so wur den die Bolzen manchmal gegeneinander durch Zwischenstücke versteift, oder auch um alle äussern Bolzen oder alle innern Bol zen, oder beide, Versteifungsringe herum gelegt, die lediglich mechanische Versteifung zum Zwecke haben.
Führt man nun diese Ringe R (Fug. 3) im Sinne der vorliegenden Erfindung aus gut leitendem Material mit guten Kontaktverbindungen und mit so klei nem Widerstand aus, dass die Ringe als Kurzschluss'ringe mit kleinem Verlust bei normalem Strom wirken, so haben sie auch meist von selbst genügende mechanische Festigkeit, um den Zweck als Versteifungs ringe vorzüglich zu erfüllen; eventuell lässt sich ohne Mehraufwand von Material durch zweckmässige Querschnittsform das notwen dige Trägheitsmoment und die notwendige Steifigkeit erzielen.
In Fig. 4 sind als Ausführungsbeispiele die zwei Kurzschlussringe, als Winkelringe Hl, gezeichnet, in Fig. 5 und 6 als je zwei parallele, hochkantige Ringe R2 mit Verbin dungslaschen L und Verbindungsstücken 'P, die die Löcher für die Schraubenbolzen ent halten. Die Schraubenbolzen selbst können gegen die Kurzschlussringe isoliert sein, oder sie können mit ihnen auch ohne Isolation ver bunden werden. Auf jeden Fall geht weitaus der Hauptteil des neutralisierenden Stromes durch die Kurzschlussringe.
Die Kurzschlussringe bieten einen weite ren grossen Vorteil in bezug auf die Kräfte, die in einzelnen Wicklungsteilen bei Stoss- kurzschluss auftreten. Bekanntlich erfahren Leiter, in denen gleichgerichtete Ströme fliessen, eine Anziehung, solche in denen entgegengesetzt gerichtete Ströme flie ssen, eine Abstossung. Die Ströme, in den Wicklungsköpfen zweier verschiedener Pha sen sind in einem Teil jeder Periode gleich gerichtet, in einem andern Teil jeder Periode entgegengerichtet, und es können daher, - je nach dem Augenblicke des Stosskurzschlusses, grosse Kräfte auftreten, deren Richtung un bestimmt ist.
Wenn starke Wirbelströme in den Press'platten und Wicklungsschildern auftreten können, so werden auch diese auf die Wicklungsköpfe Kraftwirkungen äussern. Die Richtung der resultierenden Kräfte ist aber unberechenbar, wenn man nicht die relative Grösse der Wirbelströme in den ver schiedenen Teilen kennt. Sieht man gemäss der Erfindung gurzschlussringe mit kleinem Widerstand vor, so treten gegenüber den Strömen in diesen Ringen die Wirbelströme in den massiven Eisenteilen vollkommen zurück. Die Ringe bilden gewissermassen die Sekundärwicklung eines Transformators.
Bei Einphasenmaschinen ist der Strom in die sen Ringen dem Strom in jedem Leiter des Wickelkopfes entgegengesetzt, so dass mit Sicherheit eine Abstossung zwischen Wickel kopf und Ring erfolgt. Bei einphasigem Kurzschluss einer Mehrphasenmaschine tritt die gleiche Erscheinung auf.
Man kann oft unbedenklich das metallene Pressstück P der Fig. 3 weglassen, wie dies in Fig. 4 und 5 dargestellt ist. In Fig. 6 ist ein einzelner Doppelring von Fig. 5 her ausgezeichnet. Die beiden gut leitenden Ringe R2 sind der einfacheren Montage hal ber in Halbringe geteilt, die durch gut ver schraubte Laschen L elektrisch und mecha nisch vorzüglich verbunden sind. Zwischen den Ringen sind die Verbindungsstücke V, die die Löcher C für die Schraubenbolzen enthalten.
In manchen Fällen ist es durchaus zu lässig, auf die Schraubenbolzen und Press- stücke zu verzichten und die Wickelköpfe lediglich an den Kurzschlussring mit geeig- neter Bandage anzubinden. Dies ist in Fig. 7 schematisch für eine einphasige Maschine dargestellt. Au den Ring R' sind mittelst Bandagen D die Wickelköpfe TV-' angebun den.
Da. stets (insbesondere bei Stosskurz- sehluss) Abstossung zwischen jedem Wickel kopf und dem Kurzschlussring stattfindet, so tritt überall eine Zugbeanspruchung der Bandagen ein. Man hat bisher solche Ringe aus isolierendem Material gemacht, oder wo Metall angewendet wurde, es aufgeschnitten, damit der Stromdurchgang verhindert werde.
Die Erfindung kann naturgemäss sowohl auf ruhende, als auf rotierende Anker von Wechselstrommaschinen angewendet werden.
Device for neutralizing the magnetizing effects of the winding heads of alternating current machines. It is known that occasionally with large AC machines difficulties due to heating of winding shields, press plates and housings occurred that were rightly attributed to eddy currents. It was noticeable that with machines of the same size and utilization the difficulties were noticed only in some apparently irregular cases.
Careful investigations have now shown when the difficulties according to the nature of the winding can be expected, and the method explained in the following description has been used to suppress harmful eddy current formation.
Primarily the conductors of the winding heads can have an inducing effect on the winding shields and press plates. There are two fundamentally different arrangements of the winding heads in multi-pole machines. In Fig. 1, a four-pole single-phase winding is shown schematically. The currents in conductors 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 flow at a certain time in the sense of the dots and crosses, the currents in the end connections in the sense of the arrows.
While in the connection from 1 to 2 and from 5 to 6 the current flows around the axis in the clockwise direction, in the connection from 3 to 4 and from 7 to 8 it flows in the opposite direction, so that there are small local leakage fluxes, but none Total magnetization takes place in the direction of the machine axis.
On the other hand, if, as in Fig. 2, the end connections are only arranged in two instead of four winding heads, for example to enable the stationary outer armature of a machine to be divided horizontally without the winding having to be removed from the slots, this means that the current in all end connections flows around the axis in the clockwise direction at the time shown in FIG.
Even three-phase windings often have to be arranged in order to achieve divisibility of the armature in such a way that, as with the single-phase winding shown in FIG. 2, magnetization takes place in the longitudinal axis. The alternating field generated in this way has the tendency to generate coaxial, oppositely directed currents zii in all conductors located in the vicinity.
Currents can therefore arise in winding shields, in the press plates of the armature press body and in the housing itself. These parts are mostly made of cast or flux iron; Alternating currents in iron are forced to the surface by the action of the skin; the iron body therefore offers a high resistance, and the losses, including the heating, in these iron parts can be considerable, especially in machines with high power.
If you try to interrupt the currents by isolating the individual iron parts from each other, you increase the field generated by the currents, because now the primary currents are counteracted by reduced secondary currents and, under certain circumstances, heating is caused in remote parts. Incomplete insulation can also be very disadvantageous because then the current, the end position of which should be prevented, closes via poor contact and generates dangerous local heating.
With effective prevention of secondary currents in the press plates and other structural parts, on the other hand, as already mentioned, the alternating field in the direction of the magnetic axis is stronger and gives rise to harmful bearing currents.
In some cases, attempts have been made to reduce the heating of the winding shields and press plates by making them from non-magnetic material of relatively high resistance, for example from bronze. This means of information is expensive.
According to the present invention, the secondary currents are offered a path with as little resistance as possible by short-circuiting rings. on which they can develop to such a size with low losses that they cancels out the magnetizing effects of the current in the winding heads as completely as possible. These rings are expediently made of copper or some other very conductive material, and when making the rings from several parts, care must be taken to ensure that the parts are connected to one another with good conductivity.
There. if the number of ampere turns in the end winding can be calculated exactly under normal load and with any specific overload and the current in the secondary ring with low resistance is almost the opposite of the geometric sum of the ampere turns in the end windings, the cross section of the short-circuit ring can be as follows dimension so that the energy loss in the ring reaches a certain small amount.
In large machines there are many thousands of ampere turns on the winding heads, and the winding head and short-circuit rings must therefore be dimensioned for many thousands of amperes. If you make them from copper or some other very good conductor, you can do this with little energy loss and far less cost than if you make press rings and winding shields from non-magnetic material.
The short-circuit rings protect third bodies, for example winding shields, end plates, housings, since the ampere turns of the winding heads are almost completely neutralized by those of the short-circuit ring. This takes place under normal load as well as with a sudden short circuit of the machine terminals, in which, as is well known, the current sometimes reaches ten times the normal value and even more.
It is of great value to use the short-circuit rings of this invention, which are present for electrical reasons, also for mechanical stiffening of the winding heads in the event of a sudden short circuit. Fig. 3 is a .Schnitt through the winding head of a large three-phase machine.
IF are the winding heads, E is the end plate (press plate) of the sheet iron body of the machine, B the winding shield, which prevents accidental contact with the winding and is attached to the cast-iron housing. In order to avoid displacements in the event of a sudden short circuit, screw bolts S and metal pressing pieces P are used in a known manner, which support the winding heads against one another and against the pressing plate E by means of insulating spacers.
Since in very large machines, despite this apparently strong construction, the winding heads occasionally shifted with the bending of the bolts and therefore permanent damage occurred in the event of a sudden short circuit, so the bolts were sometimes stiffened against each other by spacers, or around all outer bolts or all inside Bol zen, or both, placed around stiffening rings that have only mechanical stiffening for the purpose.
If you now run these rings R (Fig. 3) in the sense of the present invention made of a highly conductive material with good contact connections and with such a small resistance that the rings act as short-circuit rings with little loss at normal current, they also have usually sufficient mechanical strength by itself to excellently fulfill the purpose as stiffening rings; possibly the necessary moment of inertia and the necessary rigidity can be achieved without additional expenditure of material through an appropriate cross-sectional shape.
In Fig. 4, the two short-circuit rings, as angled rings Hl, are drawn as embodiments, in Fig. 5 and 6 as two parallel, edgewise rings R2 with connec tion tabs L and connecting pieces' P that keep the holes for the bolts ent. The bolts themselves can be isolated from the short-circuit rings, or they can be connected to them without isolation. In any case, the majority of the neutralizing current goes through the short-circuit rings.
The short-circuit rings offer a further great advantage with regard to the forces that occur in individual winding parts in the event of a surge short-circuit. As is well known, conductors in which currents flow in the same direction experience an attraction, those in which currents flow in opposite directions experience a repulsion. The currents in the winding heads of two different phases are directed in the same way in one part of each period and opposite in another part of each period, and therefore, depending on the moment of the surge short-circuit, large forces can arise whose direction is undetermined.
If strong eddy currents can occur in the press plates and winding shields, these will also exert force effects on the winding heads. The direction of the resulting forces is unpredictable if one does not know the relative size of the eddy currents in the various parts. If, according to the invention, short-circuit rings with a low resistance are provided, then the eddy currents in the solid iron parts completely recede compared to the currents in these rings. To a certain extent, the rings form the secondary winding of a transformer.
In single-phase machines, the current in these rings is opposite to the current in each conductor of the winding head, so that there is definitely a repulsion between the winding head and the ring. The same phenomenon occurs with a single-phase short circuit in a multi-phase machine.
One can often safely omit the metal pressing piece P of FIG. 3, as shown in FIGS. 4 and 5. In Fig. 6, a single double ring from Fig. 5 is marked. The two highly conductive rings R2 are divided into half rings for easier assembly, which are electrically and mechanically excellently connected by well-screwed straps L. Between the rings are the connecting pieces V, which contain the holes C for the screw bolts.
In some cases it is quite permissible to do without the screw bolts and press pieces and only to connect the winding heads to the short-circuit ring with a suitable bandage. This is shown schematically in FIG. 7 for a single-phase machine. The winding heads TV- 'are attached to the ring R' by means of bandages D.
There. If there is always (especially in the case of shock short-circuit) repulsion between each winding head and the short-circuit ring, tensile stress on the bandages occurs everywhere. So far, such rings have been made of insulating material, or where metal has been used, it has been cut open to prevent the passage of current.
The invention can of course be applied to both stationary and rotating armatures of AC machines.