DE102007025938A1

DE102007025938A1 - Hochspannungsmaschine mit verbindungsloser Wicklung

Info

Publication number: DE102007025938A1
Application number: DE200710025938
Authority: DE
Inventors: Andreas Bethge; Joachim Mucha; Rüdiger Schäfer; Hartmut Walter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-06-04
Filing date: 2007-06-04
Publication date: 2008-12-18
Also published as: WO2008148680A2; WO2008148680A3

Abstract

Es soll eine axial sehr kurze Hochspannungsmaschine für hohe Drehzahlen vorgeschlagen werden. Daher wird ein Strang (U, V, W) durchgehend mit einem einzigen Litzenleiter in die Nuten (1 bis 36) des Blechpakets einer Hochspannungsmaschine eingelegt. Auf diese Weise kann auf Spulenverbindungen und Schaltverbindungen sowie Ringleitungen verzichtet werden, die in der Regel eine deutliche Wickelkopfausladung mit sich bringen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochspannungsmaschine mit einem Blechpaket, das eine Vielzahl an Nuten aufweist, und einer Wicklung, die in den Nuten angeordnet und aus einem Litzenleiter gefertigt ist sowie mindestens einen Strang aufweist. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Hochspannungsmotoren und -generatoren in Litzenleiterausführung. Entsprechend den VDE-Vorschriften sind Hochspannungsmaschinen für Betriebsspannungen von 3,3 kV und mehr ausgelegt.
Bei konventionellen Ständerwicklungen für Hochspannungsmaschinen werden einzelne Spulen in das Ständerblechpaket eingebaut. Die Spulen werden anschließend entsprechend der elektrischen Vorgabe untereinander verschaltet. Dabei entstehen Spulenverbindungen beim Verschalten mehrerer Spulen einer Spulengruppe und Schaltverbindungen beim Verschalten mehrerer Gruppen eines Strangs.
Die Schaltung wird vorzugsweise durch Lötverbindungen, bzw. bei Verwendung von Litzenleitern durch Crimpverbindungen, realisiert. Ein Litzenleiter besteht aus einer Vielzahl (typischerweise mehrere hundert, gegebenenfalls mehr als tausend) von einzelnen lackbeschichteten Einzelleitern, die mit einer Hauptisolierung aus Glimmerbändern bewickelt sind. Für eine sichere Verbindung muss die Lackschicht von den einzelnen Drähten vollständig entfernt werden. Dabei dürfen die Einzelleiter nicht beschädigt, insbesondere nicht abgeknickt, abgebrochen, etc. werden. Jede Verbindung (Spulenverbindung oder Schaltverbindung) innerhalb einer Litzenwicklung stellt einen Schwachpunkt dar. Durch schlechte Stromübergänge ergeben sich nämlich bei diesen Verbindungen so genannte Heißstellen. Diese Schwachpunkte können in der Regel auch durch hohen Aufwand nicht beseitigt werden.
Die Lackschicht wurde bisher durch Abbrennen, Abbürsten und chemische Behandlung entfernt. Dabei wurden häufig ganze Einzelleiter abgebrannt oder abgeknickt. Die gereinigten Litzenleiter wurden durch eine Quetschverbindung miteinander verbunden. Ausziehversuche zum Nachweis der mechanischen Festigkeit haben gezeigt, dass die geforderten Ansprüche an die Verbindung nicht reproduzierbar erreicht werden. Es ist davon auszugehen, dass für das Herstellen von elektrisch und mechanisch sicheren Verbindungen das vollständige Entfernen der Lackschichten in jedem Fall unabdingbar ist.
Der Aufbau einer Hochspannungsmaschine mit Spulen bzw. Stäben und entsprechenden Verbindungen im Wickelkopfbereich führt zu einer verhältnismäßig hohen axialen Baulänge. Dies kann bei speziellen Anwendungen unerwünscht sein.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Hochspannungsmaschine mit reduzierter axialer Baulänge vorzuschlagen, die für den Betrieb mit hohen Drehzahlen geeignet ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Hochspannungsmaschine mit einem Blechpaket, das eine Vielzahl an Nuten aufweist, und einer Wicklung, die in den Nuten angeordnet und aus einem Litzenleiter gefertigt ist sowie mindestens einen Strang aufweist, wobei der gesamte, mindestens eine Strang durchgehend mit einem einzigen Litzenleiter in die Nuten des Blechpakets eingelegt ist.
In vorteilhafter Weise ermöglicht die Erfindung einen Strang bzw. eine Phase mit einem einzigen Litzenleiter (Endlosleiter) ohne Spulenverbindungen und ohne Schaltverbindungen in die Nuten eines Blechpakets einzulegen. Da keine Spulen- bzw. Schaltverbindungen vorgesehen sind, entsteht auch kein zusätzlicher Platzbedarf für die Schaltung.
Die Wickelkopfausladung wird also reduziert. Daneben sind auch keine Ringleitungen notwendig, die zum Sammeln von Spu lengruppen einer Phase dienen. Insgesamt verringert sich somit der Fertigungsaufwand für die Hochspannungsmaschine erheblich. Des Weiteren entstehen an den Verbindungen keine Heißpunkte durch zu hohe Übergangswiderstände. Schließlich wird die Hochspannungsmaschine durch die erfindungsgemäße Wicklung unempfindlicher gegen Überflutungen, da keine Verbindungen gebraucht werden, die Schwachstellen gegenüber Feuchtigkeit darstellen.
Vorzugsweise besitzt der Litzenleiter mehr als einhundert lackbeschichtete Einzelleiter. Vielfach besteht der Litzenleiter auch aus vierhundert Einzelleitern und mehr, teilweise sogar aus über eintausend Einzelleitern. Dadurch kann der Verdrängungseffekt, der bei höheren Frequenzen auftritt, auf ein erträgliches Maß reduziert werden, so dass auch Maschinen mit höherer Drehzahl realisiert werden können.
Die Einzelleiter des Litzenleiters können mit einer Hauptisolierung aus Glimmerbändern bewickelt sein. Damit lässt sich eine spannungsfeste Isolation realisieren.
Des Weiteren kann die Wicklung in der Hochspannungsmaschine in jeder einzelnen Nut des Blechpakets mehrere Schichten aufweisen. Damit lassen sich entsprechend hohe Induktivitäten erzielen.
Des Weiteren kann der mindestens eine Strang mehrere Spulengruppen aufweisen. Hierdurch können Maschinen mit beliebiger Polzahl auf einfache Weise realisiert werden.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
1 ein Wicklungsbild einer Phase U einer zweipoligen erfindungsgemäßen Hochspannungsmaschine;
2 ein Wicklungsbild einer Phase V;
3 ein Wicklungsbild einer Phase W und
4 ein Schaltschema des Ständers der Hochspannungsmaschine mit den Wicklungen der 1 bis 3 aus axialer Sicht.
Das nachfolgend näher geschilderte Ausführungsbeispiel stellt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
In den 1 bis 4 ist die Wicklung eines Ständers einer zweipoligen Hochspannungsmaschine ohne Sternpunkt dargestellt. Die axiale Länge der Maschine soll sehr kurz sein, wobei dennoch ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden muss. Daher wird erfindungsgemäß auf Verbindungen innerhalb der Wicklung, d. h. auf Spulenverbindungen, Schaltverbindungen, Ringleitungen und dergleichen vollständig verzichtet. Auf diese Weise wird die axiale Wickelkopfausladung sehr klein. Folglich steigt der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine relativ zu seiner axialen Baulänge.
1 zeigt das Wicklungsschema eines ersten Strangs, hier der Phase U. Ein einziger, durchgehender Litzenleiter mit den Enden U1 und U2 wird gemäß 1 in die Nuten 34 bis 36 und 1 bis 6 sowie 16 bis 24 gelegt. Beginnend bei U1 wird der Litzenleiter, der beispielsweise vierhundert isolierte Einzelleiter aufweist und für mehr als 3,3 kV ausgelegt ist, in die Nut 1 eingelegt. Der Litzenleiter wird weitergeführt zu Nut 24, und anschließend zu den Nuten 2, 23, 3 und 22. Damit ist eine erste Wicklungslage einer ersten Spule gelegt. Anschließend wird in die Nuten 4, 5, 6, 19, 20 und 21 eine Spule gelegt. Dabei wird der Litzenleiter ohne übliche mechanische Spulenverbindung in diese weiteren Nuten eingelegt. Ein Litzenstück L1, das Teil des Litzenleiters ist, verbindet die beiden Spulen. Im Anschluss daran wird in die gleichen Nuten 1 bis 6 und 19 bis 24 eine zweite Wicklungslage gelegt. Die zweite Wicklungslage ist mit der ersten Wicklungslage mit einem Litzenstück L2 einstückig verbunden. Dieses Litzenstück L2 liegt ebenso wie das Litzenstück L1 zur Verbindung der ersten Spulen auf der B-Seite BS der Wicklung. Auf der A-Seite AS sind hier keine Spulen- bzw. Schaltverbindungen vorgesehen. Die ersten vier Spulen sind nun in der ersten Wicklungslage WL1 und der zweiten Wicklungslage WL2 jeweils mit radialer Ausladung gebildet.
Nachdem der Litzenleiter zum zweiten Mal durch die Nut 24 geführt wurde, wird er mit einem weiteren Litzenstück L3, das an die Stelle einer Schaltverbindung tritt, auf der B-Seite BS zur Nut 34 geführt. Nun werden die Nuten 34 bis 36 und 1 bis 3 sowie 16 bis 21 in der gleichen Weise mit dem Litzenleiter belegt wie die vorhergehenden Nuten. In diesen Nuten entstehen so die Wicklungslagen WL3 und WL4. Schließlich wird der Litzenleiter aus Nut 21 nach außen geführt und er bildet dort ein Ende U2. Das Wicklungsbild von 1 führt zu einer zweipoligen Maschine (vergleiche das Schaltschema von 4).
Der Litzenleiter für die Phase V mit den Enden V1 und V2 wird in analoger Weise entsprechend 2 durchgehend in die Nuten 10 bis 18 und 28 bis 36 eingelegt. Wiederum werden entsprechende Wicklungslagen WL1 bis WL4 gebildet. Die Enden V1 und V2 des Litzenleiters ragen also an der Seite BS aus den Nuten 13 und 33 nach außen.
Für die dritte Phase W wird ein weiterer durchgehender Litzenleiter mit den Enden W1 und W2 in die Nuten 4 bis 12 und 22 bis 30 gelegt. Der Litzenleiter bildet auch hier die Wicklungslagen WL1 bis WL4. Die Enden W1 und W2 ragen hier aus den Nuten 9 und 25 auf der Seite BS.
Insgesamt entsteht durch das Wicklungsbild entsprechend den 1 bis 3 eine konzentrische Vier-Schicht-Spulenwicklung mit sechsunddreißig Nuten. Elektrisch gesehen ergibt sich eine Zweischichtwicklung.
In 4 ist das Schaltschema dieser Wicklung von der B-Seite BS dargestellt. In den Nuten 1 bis 36 sind jeweils vier Spulenschichten zu erkennen. Der Übersicht halber sind in 4 lediglich die Litzenleiterstücke eingezeichnet, die als Schaltverbindungen dienen. Spulenverbindungen sind nicht eingezeichnet. Symbolisch sind die Litzenstücke L2 und L3 eingezeichnet, die die erste Lage der Nut 19 mit der zweiten Lage von Nut 6 bzw. die zweite Lage von Nut 24 mit der dritten Lage von Nut 34 verbinden. In 4 ist weiterhin zu erkennen, dass die einzelnen Phasen UVW nicht in einem Sternpunkt zusammengeführt sind, sondern für den gewählten Bedarfsfall jede für sich allein mit zwei Enden nach außen geführt ist.
Insbesondere aus den 1 bis 3 ist zu erkennen, dass auf Verbindungen innerhalb jeder Strangwicklung vollständig verzichtet wird. Dabei werden alle Wicklungselemente eines Strangs mit einem „Endlosleiter" in das Ständerblechpaket eingelegt. Der Platz für die verbindungslosen Übergänge von Spule zu Spule bzw. von Spulengruppe zu Spulengruppe wird durch die wechselnde Anordnung der Spulengruppen geschaffen. Es ist somit eine axial sehr kurze Hochspannungsmaschine realisierbar.

Claims

Hochspannungsmaschine mit – einem Blechpaket, das eine Vielzahl an Nuten (1 bis 36) aufweist, und – einer Wicklung, die in den Nuten (1 bis 36) angeordnet und aus einem Litzenleiter gefertigt ist sowie mindestens einen Strang aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – der gesamte, mindestens eine Strang durchgehend mit einem einzigen Litzenleiter in die Nuten (1 bis 36) des Blechpakets eingelegt ist.
Hochspannungsmaschine nach Anspruch 1, wobei der Litzenleiter mehr als hundert lackbeschichtete Einzelleiter aufweist.
Hochspannungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Einzelleiter des Litzenleiters mit einer Hauptisolierung aus Glimmerbändern bewickelt sind.
Hochspannungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wicklung in jeder einzelnen Nut mehrere Schichten (WL1 bis WL4) aufweist.
Hochspannungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Strang mehrere Spulengruppen aufweist.