Wicklung für Transformatoren und elektrische Maschinen. Ii',lektrisclie iVIasehinen und Transformato ren bestehen in ihrem grundsätzlichen Auf bau immer aus einem oder mehreren, ganz oder mindestens teilweise eisengeschlossenen magnetischen Kreisen mit mindestens einer stromdurchflossenen Wicklung.
Es lassen sieh sehr beachtliche Ersparnisse an Material er zielen, was sich sowohl auf das Fertiggewicht als auch in den Herstellungskosten und im Gebratiehswert günstig auswirkt, wenn man die Wicklung bz -. Wicklungen in jener Zone, wo der Wicklungsquerschnitt für die Eisen weglänge massgebend ist, mit reduziertem Leiterquerschnitt in diehtmögliehster Packung ausführt.
Eine elektrische Maschine mit einer Wick lung, deren Leiter längs eines Windungsum- fanges ungleiche Querschnitte aufweist, wird in der österreichischen Patentschrift Nr. 51903 vorgeschlagen. Dieses Patent hat im wesent lichen eine Erhöhung des spezifischen Strom belages am Läuferumfang einer Gleichstrom maschine zum Ziel, l.ä.sst aber das ausschlag gebende Problem der Verlustabfuhr völlig offen.
Das Schweizer Patent Nr. 223637 bringt in dieser Hinsicht als Diinensionierungsregel die Angabe einer Quersehnittsverminderung auf 10 bis 41/o und erledigt. die Frage der Ver lustabfuhr mit ganz allgemeinen Hinweisen auf zusätzliche Hilfsmittel, wie Kühlfahnen oder Kühlkanäle und dergleichen. Eine prak tisch ausnützbare Auswertung des Griindge- dankens muss vor allem dem Problem der Verlustabfuhr gerecht werden, das nur durch Tolerierung eines (mathematisch gesprochen) zusätzlichen Gliedes in der Serie der Wärme widerstände lösbar ist.
Die Tolerierung des für eine Wärmelängsleitung im Einzelleiter nötigen Temperaturgefälles entspricht dem vorerwähnten zusätzlichen Glied in der Serie der Wärmewiderstände. -Mit einer direkten Abfuhr der in der Zone mit geschwäch tem Leiterquerschnitt frei werdenden Verlust wärme, also annähernd quer zum Einzelleiter, kann nur in sehr beschränktem Ausmass ge rechnet werden, weil sonst auch in dieser Zone Zirkulationsräume für das Kühlmittel vorge sehen werden müssten, die den Effekt der Verminderung der Leiterquerschnitte durch Verkleinerun- des Füllfaktors sehr abschwä chen würden.
Die Tolerierung des vorerwähnten zusätz lichen Gliedes in der Serie der Wärmewider stände, also eine scheinbare Verschlechterung in der Auslegung der Wicklung, die dimen- sionierungsmässige Schaffung eines Tempera turgefälles für eine Wärmelängsleitung im Einzelleiter, bringt die Freiheit, diese in der Zone mit dem reduzierten Leiterquerschnitt diehtmöglichst zii packen, wobei der Füllfak tor nur durch die Rücksichtnahme auf die Isolationssicherheit, dagegen keineswegs auf direkte Wärmeabfiuhr, bzw.
Kühlmittelzirku- iation bestimmt wird, und ergibt damit einen praktischen Effekt. Auf diese Art lässt sich, bezogen auf den Querschnitt des ungeschwäch ten Leiters, in der verdichteten Wicklungs zone ein scheinbarer Füllfaktor erzielen, des sen Wert gegenüber den bisher üblichen sehr hoch liegt und etwa 3 bis 4 erreichen kann.
Über die Möglichk eit ,der Wärmelängsleitung bzw. über das dazu nötige Temperaturgefälle geben die Fig. 1 bis 4 der Zeichnung Auf schluss. Fig. 1 zeigt ein Diagramm, in wel chem als Abszissen die halben Längen Z"" der geschwächten Leiterquerschnitte in cm und als Ordinaten die spezifische Stromdichte in A/mm2 aufgetragen ist. Die schrägen Linien geben die Temperaturgefälle<I>d t</I> an.
Die Fig. 3 zeigt ein Leiterstück, bei dein auf die Strecke 21.. der Querschnitt im Ver hältnis hlH = 1/ü vermindert ist. Es ist nun weiters gedacht, dass von dem geschwächten Leiterstück eine direkte Wärmeabfuhr an die äussere Umgebung nicht möglich ist, vielmehr eine vollkommene Wärmeisolierung besteht, und die in diesem Leiterstück anfallende Ver lustwärme nur längs des Leiters selbst, nach beiden anschliessenden, ungeschwächten Lei terstücken hin, abfliessen kann. Dieser Wärme fluss erfordert selbstverständlich ein entspre chendes Temperaturgefälle.
Das Temperatur gefälle errechnet sich für Kupfer nach der Formel
EMI0002.0016
wobei i, die spezifische Stromdichte in A/mm2 in diesem Leiterstück, 1,u die Leiterlänge in cm bedeutet. Handelt es sich um einen Leiter, der bereits im vollen Querschnitt die Strom dichte i, besitzt und dessen Querschnitt auf einem Stück im Verhältnis hlH = 1/ii redu ziert ist (Fug. 3), so ist der obige Wert für <I>d t</I> noch mit ü2 zu multiplizieren.
Moderne elektrische Maschinen arbeiten im Mittel bereits mit einer Stromdichte von 4 A/mm2. Eine Reduktion des Querschnittes an Teilstücken des Leiters aus 4%, im Sinne des vorerwähnten Schweizer Patentes würde also einer Stromdichte von 100 A/mm2 ent sprechen.
Bei dieser Stromdichte ergibt sich auf den ersten ein Wärmelängsleitung aus Diagramm Fig. 1 bereits ein Temperatur gefälle von 30 C, für 5 cm Wärmelängslei- tung schon der völlig unmögliche Wert von 750 C.
Die angegebene Dimensionierungsregel ist. also vielleicht für Miniaturapparate, Relais und dergleichen brauchbar, versagt aber schon im kleinen und mittleren Leistungsbe reich elektrischer Maschinen und Transforma toren 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 Temperatur gefälle zeigen, aussichtslos.
Günstige Verhältnisse, das heisst kleinere Temperaturgefälle bzw. grössere durch Wärme leitung überbrückbare Strecken ergeben sich, wenn die Querschnittsreduktion nicht ent sprechend Fig. 3 über ein endliches Stück konstant gehalten, sondern nur in Form eines Einschnittes nach Fig. 4 vorgesehen wird.
In der Formel für 4 t ist dann statt ii2 der Faktor
EMI0002.0051
einzusetzen. In Fig. ? sind als Abszissen die Werte für ü und als Ordinaten der Werte für K sowie auch jene für die Verhä.ltniszai0 sich, dass K besonders bei höheren Werten
EMI0002.0056
letztere in %, eingetragen. Es zeigt von il beachtlich kleiner bleibt als dieses.
Die durch den Wert C ausgedrückte Einsparung an notwendigem Temperaturgefälle ist, wie aus dem Diagramm der Fig. 2 hervorgeht, insbesondere bei höheren Werten von ü über raschend hoch.
Durch die Reduktion des Leiterquerschnit tes zusammen mit der Erhöhung des Füllfak tors wird nicht nur eine beachtliche Verkür zung der Eisenweglänge erreicht, man kann unter diesen Umständen auch die Sättig-Ling höher wählen, also entweder an Eisenquer schnitt oder an Windungszahlen einsparen und damit die hla-terialausnützung nochmals wesentlich verbessern.
Die in der dichtgepackten, mit geschwäch tem Leiterquerschnitt ausgeführten Zone frei werdende Verlustwärme wird also aus dieser Zone im wesentlichen durch Wärmelängslei- tung nach der Zone der Wicklung mit unge schwächtem Leiterquerschnitt hin abgeführt.
Das für diesen Wärmefluss vorzusehende Tem peraturgefälle kann auch bei grösseren Maschi nen und Transformatoren in durchaus trag baren Grenzen gehalten werden (Fig. 1 bis 4) und braucht 301/o des gesamten, zwischen Wicklungstemperatur und Kühlmitteltempe- ratur 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 eige nen Verluste, sondern auch die Verluste aus der andern Zone an das Kühlmittel abzufüh ren imstande sein muss.
Nach dem Vorstehenden besteht das Wesen der vorliegenden Erfindung bei einer elektri- sehen Maschine bzw. einem Transformator, deren Leiter längs eines Windungsumfanges mindestens zwei Zonen aufweisen, in deren einer, für die Eisenweglänge massgebenden Zone der Leiterquerschnitt reduziert ist, darin, dass die Wicklung in der letztgenann ten Zone dich gepackt, unter Verzicht auf Kühlflächen oder Kühlkanäle in dieser Zone, ausgeführt ist, wobei der reduzierte Leiter querschnitt (Isthmus) zwecks Abfuhr der Verluste nach der andern Wicklungszone hin nach einem Temperaturgefälle dimensioniert ist, das einem Bruchteil des gesamten, zwi schen maximal.
zulässiger Wicklungstempera tur und Kühlmitteltemperatur bestehenden Gefälles, maximal 30% davon, entspricht und die andere Wicklungszone mit ungeschwäch tem Leiterquerschnitt derart aufgelockert und grossflächig hergestellt ist, dass die Windun gen selbst als flächenhafte Kühlelemente wir ken.
Dabei kann jede einzelne Windung oder mindestens jede Gruppe von höchstens vier Windungen ein solches Kühlelement bilden. Für das Ausmass der Auflockerung kann ein dem Füllfaktor äquivalenter Kennwert als Verhältnis von Summe der Leiterquerschnitte zur Summe der Wicklungsfläche definiert. werden, der bei natürlicher Luftkühlung mit etwa 0,2, vorzugsweise kleiner zu wählen ist. Zur Definition der vorerwähnten Grossflä chigkeit kann wieder bei natürlicher Luft kühlung_ eine Beanspruchung von etwa 500 W pro m'-, vorzugsweise weniger, als Richtlinie gelten.
Wenn auch bei einem derartig ausgeführ ten Transformator zugegebener Weise an den Isthmusstellen der Stromleiter merklich er höhte Verluste auftreten, so wird dies doch durch die verringerten Gesamtabmessungen und Gesamtgewichte kompensiert, so dass sieh im Endergebnis etwa derselbe Wirkungsgrad wie für einen normal gebauten Apparat glei cher Leistung erreichen lässt.
Die Ersparnisse an Material bzw. Fertig gewielit, die, auf dem angegebenen Weg er zielt werden können, sind ausserordentlich; beispielsweise lassen sich an einem Streu transformator, welche Maschinentype für die Anwendung der vorbeschriebenen Baugrund sätze besonders günstige Voraussetzungen mit bringt, 60 bis 70 0/a des bisher üblichen Ge wichtes in aktivem Material einsparen.
In den Fig. 5 und 6 sind im Aufriss und geschnittenen Grundriss zwei beispielsweise Ausführungsformen von erfindungsgemässen Wicklungen dargestellt. Eine dritte Ausfüh rungsform zeigt Fig. 7a. in Aufriss und Schnitt, Fig. 7b in Draufsicht, wobei die linke Hälfte mit. teilweise abgebrochenen Windun gen und die rechte Hälfte mit geschnittenen Windungen dargestellt ist.
Aus Fig. 5 ergibt sieh zunächst., wie aus der bekannten Blankpolwicklung, die aus hochkant gebogenem Leitermaterial von recht eckigem oder annähernd rechteckigem Quer schnitt besteht. und vorzugsweise für Rund spulen verwendet wird, eine gut brauchbare Isthmuswicklung durch einen einfachen zu sätzlichen Arbeitsvorgang hergestellt werden kann. Eine derartige Wicklung r wird durch Abnahme eines Segmentes an der Stelle a ab geflacht.
Hiebei ist es belanglos, ob die Ab nahme des Segmentes windungsweise durch Schneiden oder an der kompletten Spule durch Hobeln oder Fräsen erfolgt.
Die einfache Hochkant-Isthmuswicklung nach Fig. 5 kann, sofern höhere Windungs- zahlen notwendig sind, entsprechend Fig. 6 modifiziert. werden. Diese Wicklung besitzt dann zwei oder mehrere ineinandergeschobene Einzelspulen<I>r</I> und s.
Bei der äussern Spule<I>r</I> (bzw. äussersten Spule bei Anordnung meh rerer Spulen) erfolgt die Isthmusbildung wie beschrieben durch Abnahme eines Segmentes, während bei der innern Spule s (bzw. den innern Spulen) ein mondförmiger Flächenteil abgenommen wird.
Dass Transformatoren mit annähernd run dem bzw. ovalem Schenkelquerschnitt für Hochkantringwicklung besonders geeignet sind, geht aus Fig. 7 hervor. Diese zeigt einen Eisenkern E, welcher von Wicklun gen R umgeben ist.
In Fig. 7 ist an der Verdichtung der Windungen gegen das Z<B>Z</B> entrum des Eisenkernes E zu deutlich die dichtgepackte Zone mit reduziertem Leiter querschnitt, bzw. durch den fächerförmigen Verlauf, sowie das teilweise Abweichen von der radialen Lage, welches durch Zurecht biegen der Windungselemente erreicht wird, die Auflockerung der Wicklung in der Zone mit ungeschwächtem Querschnitt 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 räum lichen Anordnung - richtig gewählte Propor tionen vorausgesetzt - von selbst ergibt.