CH279739A - Wicklung für Transformatoren und elektrische Maschinen. - Google Patents

Wicklung für Transformatoren und elektrische Maschinen.

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CH279739A
CH279739A CH279739DA CH279739A CH 279739 A CH279739 A CH 279739A CH 279739D A CH279739D A CH 279739DA CH 279739 A CH279739 A CH 279739A
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Geyer Franz
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Geyer Franz
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28Coils; Windings; Conductive connections

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Coils Of Transformers For General Uses (AREA)

Description


  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.  

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH: Wicklung für Transformatoren und elek trische Maschinen, die mindestens einen, min Bestens teilweise eisengeschlossenen magneti- sehen Kreis aufweisen und mindestens eine stromdurchflossene Wicklung besitzen, deren Leiter längs eines Windungsumfanges minde stens zwei Zonen aufweisen, wobei in der Zone, deren Leitersummenquerschnitt für die Eisenweglänge massgebend ist, der Leiterquer schnitt reduziert ist, dadurch gekennzeichnet,
    dass die Wicklung in der letztgenannten Zone dicht gepackt, unter Verzicht auf Kühlflächen. oder Kühlkanäle in dieser Zone, ausgeführt und der reduzierte Leiterquerschnitt. ( Isth mus) zwecks Abfuhr der Verluste nach der andern Wicklungszone hin nach einem Tem peraturgefälle dimensioniert.
    ist-, das einem Bruchteil des gesamten, zwischen maimal zu lässiger Wicklungstemperatur und Kühlmit- teltemperat-ur bestehenden Gefälles, maximal 30 % davon, entspricht, während die andere Wicklungszone mit ungeschwächtem Leiter querschnitt derart aufgelockert und grossflä chig hergestellt ist, dass die Windungen selbst als flächenhafte Kühlelemente wirken.
    UNTERANSPRL CHE 1.. Wicklung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass der Isthmus der Wicklung durch Wegnahme eines Segmentes der Windungen einer runden Spule (r) aus Hochkantmaterial gebildet ist (Fig. :5 und 7). 2.
    Wicklung nach Patentansprich, da durch gekennzeichnet, dass mehrere hochkant gewickelte Spulen (r, s) ineinandergeschaeh- telt sind, wobei für die äussere Spule (r) der Isthmus durch Wegnahme eines Segmentes bei den Windungen zur äussern Spule her---e- stellt ist, während er für die innern Spulen. (s) durch Wegnahme entsprechender mond förmiger Flächenteile erzeugt- ist. (Fig. 6). 3.
    Wicklung nach Patentanspinich und Unteranspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass die Auflockerung in der ungeschwächten Zone durch Verwendung eines Ringkernes und annähernd radiale Anordnung und ent sprechendes Zurechtbiegen der einzelnen Win dung selemente (R) erfolgt (Fig. 7).
CH279739D 1948-04-07 1949-03-22 Wicklung für Transformatoren und elektrische Maschinen. CH279739A (de)

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