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Wickelkopfabstützung an dem Rotor für einen Drehtransformator Die
Erfindung betrifft eine Wickel'kopfabstützung an dem Rotor für einen Drehtransformator
mit wenigstens einer mehrlagigen Wicklung, deren Spulenseiten in zwei Nuten des
Rotors untergebracht und durch Wickelköpfe verbunden sind sowie ein Verfahren zu
ihrer Herstellung.
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Bei den bisher verwendeten Verfahren zum Wickeln der primären Rotorspulen
von Drehtransformatoren wurden die Spulen zuerst auf entsprechend gestaltete Formen,
z. B. auf Holzformen, gewickelt, wobei die einzelnen Drähte von Hand lagenweise
so angeordnet wurden, daß eine Spule von et-,va rechteckigem Querschnitt entstand.
Während dieses Wickelvorgangs wurde mit Harz überzogenes Papier zwischen die Lagen
der Wicklung gelegt. Die Spulen wurden dann an eine andere Stelle gebracht, wo die
Spulenseiten in dampferhitzten Formen zusammengepreßt wurden, so daß der Harzüberzug
des zwischen den Lagen angeordneten Papiers aushärtete. Dadurch wurden die Wicklungsanordnung
und das Isoliermaterial zu einer festen Masse von rechteckigem Querschnitt mit bestimmten
Abmessungen verfestigt. Im Anschl.uß an diesen Formvorgang wurden diese Spulen von
Hand mit mehreren Lagen eines Isoliermaterials umwickelt, beispielsweise mit Papier
oder Band, um die Spulen gegen Masse zu isolieren. Die Spulen wurden dann an eine
weitere Bearbeitungsstation gebracht, wo sie in den Rotor des Spannungsreglers eingesetzt
wurden. Um eine Spule in den Rotor einzusetzen, wurde zunächst eine Seite in eine
Rotornut von rechteckigem Querschnitt eingepreßt, welche zuvor mit Papier ausgelegt
worden war, um eine mechanische Beschädigung der isolierten Spule zu verhindern.
Dann wurde die andere Seite der Spule mit der Hand über eine andere rechteckige
Nut gezogen und dann in diese eingezwängt.
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Dieses Herstellungsverfahren war nicht nur umständlich und teuer,
sondern es führte auch zu anderen Nachteilen. Damit die Spulen beim Strecken keinen
Schaden erlitten, war es erforderlich, daß die Wickelköpfe um eine genügende Strecke
über die Enden der Nuten in den Magnetblechen hinausragten. Die hierfür erforderliche
Verlängerung der Wicklungen war verhältnismäßig groß gegenüber den in den Ankernuten
liegenden Spulenseiten. Bei Primärwicklungen, deren Spulenseiten in Ankernuten lagen,
die um fast 180° auf dem Umfang des Kerns voneinander entfernt waren (d. h., die
einen Wicklungsschnitt von etwa 180° besaßen), war es erforderlich, daß jedeWicklung
in axialer Richtung über jedes Ende des Kerns hinaus wenigstens um das 0,7fache
des Kerndurchmessers verlängert war. Die erforderliche Verlängerung war nicht wesentlich
von der Länge des ausgenutzten Abschnitts der Wicklung abhängig, so daß bei Reglern
von geringer Größe die insgesamt erforderliche Verlängerung größer als die ausgenutzte
Länge der Wicklung war.
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Durch die Verlängerung der Wicklungen erhöhten sich die Kosten infolge
des zusätzlich benötigten Kupfers. Die zusätzliche Länge der Wicklungen erforderte
ferner eine Verlängerung aller übrigen Teile des Drehtransformators. Abgesehen von
den hierfür hervorgerufenen zusätzlichen Kosten infolge der erhöhten Material- und
Bearbeitungskosten wurde die Rotoranordnung auch. mechanisch schwächer. Die erforderliche
größere Länge der Rotorwelle vergrößerte die Gefahr, daß der Rotor infolge der durch
einen unausgeglichenen Luftspalt hervorgerufenen magnetischen Kräfte auf den Stator
schlug. Jede Vergrößerung der Länge der Rotorwelle ist wegen. dieses überzieheffektes
höchst unerwünscht, da sich die Steifigkeit des Rotors reziprok zur dritten Potenz
seiner Länge ändert.
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Infolge der verlängerten Abschnitte der Wicklung wurde die Gefahr
erhöht, daß der Rotor bei Kurzschluß beschädigt wurde, da es schwierig war, die
verlängerten Teile genau abzustützen. Ein weiterer Nachteil der bisher bekannten
Anordnungen beruhte darin, daß besondere Vorkehrungen getroffen werden mußten, um
die Beschädigung der Spulen während des Einsetzens in die Rotornuten zu verhindern.
Im allgemeinen war es notwendig, die Spulen von Hand aus mit Gummihämmern in die
Nuten einzuklopfen.
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Bei rotierenden elektrischen Maschinen ist es be-
kannt, die
Wickelköpfe der Rotorwicklungen gegen
die Fliehkräfte abzustützen.
Zu diesem Zweck wurde vorgeschlagen, stützendeVorrichtungen an derAußerlseite der
Wickelköpfe anzubringen und diese selbst radial weiter innen als die Spulenseiten
anzuordnen.
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Diese :Maßnahmen sind jedoch zur Lösung der bei -Drehtransformatoren
auftretenden Probleme ungeeignet. Bei diesen spielen die Fliehkräfte keine Rolle,
denn der Rotor ist im Betrieb festgebremst. Dagegen müssen die Wickelköpfe die im
Betrieb auftretenden Kurzschlußbelastungen aufnehmen können. Solche Kurzschlußbelastungen
sind andererseits bei rotierenden Maschinen im allgemeinen nicht zu erwarten. Im
Kurzschluß werden gewöhnlich große Tangentialkräfte auf die Wickelköpfe ausgeübt,
welche diese tun die magnetische Achse zu drehen suchen. Diese Kräfte sind um so
größer, je näher dieWickel'köpfe am Stator liegen.
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Zur Vermeidung dieser nachteiligen Wirkungen wurde vorgeschlagen,
die Rotorwicklung eines Drehtransformators als Knäuelwicklung auszubilden. Knäuelwicklungen
erfordern aber eine umständliche und teuere Herstellung und besitzen im Betrieb
ungünstige elektrische Eigenschaften.
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Erfindungsgemäß werden diese Probleme dadurch gelöst, daß an den beiden
Stirnseiten des Rotors koaxial zur Rotorwelle kegelstumpfförmige Formteile angebracht
sind, die sich vom Rotor weg verjüngen, und daß die Wickelköpfe, die radial weiter
innen als die Spulenseiten liegen, auf den Formteilen aufliegen.
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Die kegelstumpfförmigen Formteile stützen die Wickelköpfe in größerer
Entfernung vom Stator, wodurch die Kurzschlußkräfte verringert worden. Außerdem
ist es dadurch möglich, die axiale Ausdehnung der Wickelköpfe über den Rotorkern
hinaus zu verringern, wodurch die auftretenden Drehmomente verkleinert werden.
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Als weiterer Vorteil kann die Rotorwel,le steifer als früher ausgeführt
werden, da die Lager beträchtlich näher beieinanderliegen können, wenn in Erwägung
gezogen wird, daß sich die Steifigkeit der Rotorwelle reziprok zur 3. Potenz der
Länge ändert. Die Neigung des Ankers zum Überziehen und Anschlagen an den Stator
infolge der von einem unausgeglichenen Luftspalt hervorgerufenen magnetischen Kräfte
wird daher beträchtlich verringert.
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Ein weitererVorteil der erfindungsgemäßenWickelkopfabstützung liegt
schließlich darin, daß die Rotorwicklungen einfacher und schneller hergestellt werden
können. Dies wird dadurch erreicht, daß getrennte Formteile an den Enden des Kerns
angebracht werden, um die Wicklung in axialer und radialer Richtung in bezug auf
die Achse des Rotors zu führen, daß die Wicklungen lagenweise direkt in die Nuten
des Kerns und gegen die Formteile gewickelt werden, und daß die zur Führung in axialer
Richtung dienenden Formteile wieder entfernt werden.
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Eine beispielsweise Ausführung der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt. Darin ist Fig. 1 ein teilweiser Schnitt durch einen gemäß der Erfindung
ausgeführten Rotor eines Drehtransformators, Fig.2 eine auseinandergezogene Ansicht
von mehreren Bestandteilen des Rotors von Fig. 1, wobei der Magnetkern des Rotors
sowie vorübergehend benutzte und bleibende Wicklungsformteile zu erkennen sind,
Fig.3 eine Endansicht des Rotors von Fig. 1 und Fig. a4 eine- Ansicht eines Teiles
des Rotors von Fig. 1, in welcher der Rotor unter einem anderen Winkel dargestellt
ist und wobei die Primärwicklungen nicht geschnitten sind. In Fig. 1 der Zeichnung
ist der Rotor 10 eines Drehtransformators dargestellt. Der Rotor 10 besitzt eine
Welle 11, die mittels üblicher Einrichtungen drehbar gelagert ist (zur Vereinfachung
der Zeichnung nicht dargestellt). Auf der Welle 11 ist ein zylindrischer Kern 12
angebracht, der mit der Welle starr verbunden ist. Der Kern 12 liegt koaxial zur
Welle 11 und kann aus einer Vielzahl von im wesentlichen runden Magnetblechen zusammengesetzt
sein, wobei die Ebenen der Bleche senkrecht zur Achse der Welle 11 stehen.
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Der Rotorkern 12 ist in Fig. 2 genau zu erkennen. Dort ist gezeigt,
daß der Kern 12 eine Anzahl von längs verlaufenden, im wesentlichen rechteckigen
Nuten 13, 14, 15 und 16 sowie eine Anzahl von Nuten 17 mit abgerundetem Querschnitt
besitzt. Die Bleche des Kerns 12 werden durch Endplatten 18 zusammengehalten, die
ihrerseits an der Welle 11 mittels Sprengringen 19 gehalten werden, die in Nuten
der Welle 11 liegen.
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Wie in Fig. 2 gezeigt ist, liegen die Nuten 13 und 14 einerseits und
die Nuten 15 und 16 andererseits nebeneinander, wobei die beiden Gruppen von rechteckig
geformten Nuten auf beiden Seiten durch eine gleiche Anzahl von Nuten 17 voneinander
getrennt sind. Die beiden Gruppen der rechteckig geformten Nuten liegen auf gegenüberliegenden
Seiten der Welle 11, und sie sind so angeordnet, daß die die Nuten 13 und 15 enthaltende
Hälfte des Kerns im wesentlichen symmetrisch zu der die Nuten 14 und 16 enthaltenden
anderen Hälfte des Kerns ist, so daß die Nuten 13 und 15 auf dem Umfang des Kerns
um etwa 180° voneinander entfernt liegen und die Nuten 14 und 16 gleichfalls um
180° auf dem Umfang des Kerns voneinander getrennt sind.
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In Fig. 1 und 3 ist dargestellt, daß eine mehrlagige Wicklung 25,
die aus einer Anzahl von Lagen einzelner Leiterstränge besteht, auf dem Rotor angeordnet
ist, wobei eine Spulenseite 26 in der Nut 13 und die andere Spulenseite 27 in der
Nut 15 liegt und wobei ein Paar Wickelköpfe 28 die zusammengehörigen Enden der Spulenseiten
26 und 27 verbinden.
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In gleicher Weise ist eine mehrlagige Primärwicklung 29 vorgesehen,
deren eine Spulenseite 30 in der Nut 14 und deren andere Spulenseite 31 in der Nut
16 liegt, wobei ein Paar Wickelköpfe 32 die zusammengehörigen Enden der Spulenseiten
30 und 31 verbinden. Die Wickelköpfe 28 und 32 der Primärwicklungen 25 bzw. 29 liegen
in bezug auf die Welle 11 radial weiter innen als die Spulenseiten der Wicklungen,
und zwar vorzugsweise in der im folgenden beschriebenen Weise.
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Wie in Fig. 1 dargestellt ist, sind geteilte kegelstumpfförmige Teile
35 vorgesehen, die im Abstand von jedem Ende des Kerns 12 koaxial zur Welle 11 angeordnet
sind. Die Radien der kegelstumpfförmigen Teile 35 nehmen in bezug auf die Welle
11 vom Kern 12 weg ab. Die Vdickelköpfe 28 und 32 liegen in radialer Richtung an
den gekrümmten Mantelflächen der Stützglieder 35 an, so daß in jeder Lage der Primärwicklungen
25 und 29 die einzelnen Leiterwindungen in den Wickelköpfen in bezug auf die Welle
11 vom Kern weg in fortschreitend abnehmenden Radien liegen. Wie in Fig. 1 gezeigt
ist, ergibt dies einen parallelogrammförmigen Querschnitt der Wickelköpfe der Primärwicklungen,
wobei die Seiten des Vt.'icklungsquerschnitts in Ebenen liegen, die im wesentlichen
senkrecht zur Achse der Welle 11 stehen.
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Die kegelstumpfförmigen Formteile sind in Fig. 2 genau zu erkennen,
wo gezeigt ist, daß die radial
innen liegenden Flächen 38 so gekrümmt
sind, daß sie um die Welle 11 passen. Die gekrümmten äußeren Mantelflächen 39 sind
zweckmäßig mit einer Anzahl von längs laufenden Rillen 40 versehen. Diese Rillen
dienen zum bequemen Umwickeln der Primärwicklungen mit Band oder Schnur, wie in
Fig. 4 dargestellt ist, wobei das Band 41 um die Wicklungen herum und durch die
Rillen 40 geführt ist. Die Rillen 40 dienen auch als Kühlkanäle für die Wickelköpfe
der Wicklungen. Aus Fig. 2 ist ferner zu erkennen, daß vom schmalen Ende der Teile
35 geschlitzte Vorsprünge 45 abstehen, welche so angeordnet sind, daß Schrauben
durch die Schlitze geführt werden können, um während des Wickelns der Spulen die
Teile 35 festzuhalten. Ferner sind die Stützglieder 35 mit Klemmteam 44 versehen.
die voll den schmalen Enden abstehen. Diese Klemmteile 44 sind mit quer zur Achse
der Welle 11 laufenden Nuten versehen. Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, dienen sie
zum Festklemmen der an die Primärwicklung des Rotors angeschlossenen Leiter.
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Wie in Fig 1 und 4 gezeigt ist, können in den Nuten 17 des Kerns Kurzschlußwicklungen
46 angeordnet sein, wobei die Achse der Kurzschlußwicklungen 46 senkrecht zur Achse
der Primärwicklungen 25 und 2.9 steht. Zwischen den Enden des Kerns und den Wickelköpfen
der Primärwicklungen 25 und 29 können Stützblöcke 47 vorgesehen sein, um eine axiale
Deformation der Wicklungen zu verhindern.
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Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Induktionsspannungsreglers
wird zunächst der Rotorkern 12 mit beliebig gewickelten Kurzschlußwicklungen 46
versehen, die nach einem üblichen Fertigungsverfahren direkt auf den Rotor gewickelt
werden. Dann werden die kegelstumpfförmigen Stützglieder 35 mittels der durch die
geschlitzten Vorsprünge 43 geführten Schrauben 48 auf die Welle festgeklemmt. Die
kegelstumpfförmigen Glieder 35 dienen dazu, die Wickelköpfe der Primärwicklungen
in radialer Richtung abzustützen. Dann können die Stützblöcke 47 eingesetzt werden,
und Hilfsformteile 49 können auf den Enden des Rotors angebracht werden. um die
Primärwicklungen während des Wickelvorgangs in axialer Richtung zu stützen.
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Die Hilfsformteile 49 besitzen eine gekrümmte Fläche 50, welche dem
gewünschten Umriß der Spule entspricht, sowie eine Anzahl von Vorsprüngen 51, um
die gekrümmte Fläche 50 in dem erforderlichen Abstand von den Enden des Kerns 12
zu halten. Um die Hilfsformteile 50 während des Wickelns festzuhalten, können in
den Vorsprüngen 51 Schlitze 52 angebracht sein, durch welche kleine Platten 53 geführt
sind, welche gegen die Endplatten 18 des Kerns 12 mittels Schrauben gehalten werden,
die in die geschlitzten Enden der Vorsprünge 51 des Hilf sstützgliedes 49 eingeschraubt
sind. Ferner können durch die Hilfsformteile 49 Schrauben 54 (Fig. 3) geführt sein,
um die kegelstumpfförmigen Stützglieder 35 zusätzlich festzuhalten und sie in dem
richtigen Abstand von den Enden des Kerns 12 zu halten. Die Primärwicklungen 25
und 29 werden dann lagenweise direkt in die rechteckigen Nuten des Kerns 12 gewickelt,
wobei die kegelstumpfförmigen Stützglieder 35 und die Hilfsformteile 49 als Formteile
für die Wickelköpfe der Spulen dienen. Das Wickeln kann in gleicher Weise durchgeführt
werden, wie bisher derartige Spulen auf Formen vor dem Einsetzen in den Kern gewickelt
wurden, wobei die erforderliche Isolation zwischen den Lagen der Wicklung und dem
Kern 12 eingefügt wird. Es ist jedoch nicht erforderlich, in den Wicklungen eine
mit Harz überzogene Isolation zu verwenden, da der Harzüberzug der Isolierung nur
dazu diente, die richtige Gestalt der Wicklungen vor dem Einsetzen in die Nuten
des Rotors zu erhalten. N N achdern die Primärwicklungen in die Nuten des Kerns
gewickelt worden sind, können dieWickelköpfe der Spulen mit Schnur oder- Band 41
(s. F ig. -1) umwickelt werden, wobei das Band an den radial gegen die kegelstumpfförmigen
Stützglieder 35 abgestützten Seiten der Wicklung durch die Rillen 40 in den kegelstumpfförmigen
Stützgliedern 35 gehen. Wenn die Wicklung fertiggestellt ist, werden die Hilfsstützglieder
49 entfernt, welche die Wicklung in axialer Richtung stützen. Die Sehrauben 48,
welche die kegelstumpfförmigen Stützglieder 35 zusammenhalten, können gleichfalls
entfernt werden, da nunmehr die Wicklungen 25 und 29 und die Stützblöcke 47 die
Stützglieder 35 festhalten.
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Das Wickeln der Primärspulen auf dem Kern dauert etwa ebensolang wie
früher das Wickeln der Spulen auf Holzformen, da die gleiche Sorgfalt aufgewendet
werden muß und ebenfalls Isolation zwischen die einzelnen Lagen eingesetzt werden
muß. Jedoch ist es, wie bereits erwähnt, nicht mehr erforderlich, eine mit Harz
überzogene Isolation zu verwenden. Es ist ferner nicht erforderlich, die Wicklungen
zusammenzubinden, die Spulenseiten von Hand zu umwickeln oder die Wicklungen in
die Ankernuten einzuhämmern. Da die neuartigen Primärwicklungen direkt auf den Anker
gewickelt werden, braucht nicht mehr die gleiche Länge der Wickelköpfe vorgesehen
zu werden, die früher erforderlich war, um das Biegen der Spule zu ermöglichen.
Die maximale a«ial.e Ausdehnung der Wickelköpfe des erfindungsgemäßen Rotors über
den Kern hinaus beträgt weniger als etwa das O,5fache des Rotordurchmessers.
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Die Verringerung der axialen Länge der Wicklungen ergibt offensichtlich
eine Verringerung des Widerstands des Leiters, wenn der Drahtquerschnitt nicht verändert
wird. Der Drahtquerschnitt kann daher vermindert werden, ohne daß die Kupferverluste
der Wicklung erhöht werden. Hierdurch wird es möglich, die Anzahl der Windungen
zu vergrößern, die in dem verfügbaren Raum auf dem Rotorkern untergebracht werden
können. Diese Vergrößerung der Windun:gszahl der Primärwicklungen ergibt eine Verringerung
der Größe des magnetischen Flusses im Kern. Die axiale Länge oder Stapellänge des
Kerns kann daher gleich-falls wesentlich verringert werden, ohne daß die
Eisenverluste ansteigen. Die Verkürzung des Kerns ermöglicht eine weitere Verkürzung
der Windungslänge der Primärwicklung, wodurch wiederum eine weitere Verringerung
des Drahtquerschnitts ermöglicht wird. Diese sich gegenseitig unterstützenden vorteilhaften
Wirkungen ermöglichen eine Verringerung des gesamten Gewichts von Kupfer und Stahl
in einem Regler von gegebener Leistung um etwa 2011/o gegenüber dem Gewicht von
früheren Ausführungen, ohne daß die Verluste erhöht werden.
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Bei früher bekannten Wicklungen hat es sich herausgestellt, daß manchmal
bei Kurzschluß so starke Deformationskräfte auf die Wicklungen ausgeübt wurden,
daß die Stützringe an den Wickelköpfen der Spulen zerbrochen wurden, so daß die
gegenüberliegenden Spulen miteinander in Berührung kamen und dem Regler ein beträchtlicher
Schaden zugefügt wurde. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird dagegen auf die
Wickelköpfe der Spulen ein beträchtlich kleineres Moment als früher ausgeübt, und
diese sind außerdem noch durch ein massives kegelstumpfförmiges Glied abgestützt.
Da die erfindungsgemäßen
Spulen vorzugsweise auf einem kegelstumpfförmigen
Glied geformt werden, ergibt sich als weiterer Vorteil, daß ihre Wickelköpfe von
den Statorspulen weiter entfernt sind, so daß unter Kurzschlußbedingungen geringere
Kräfte als früher auf sie ausgeübt werden.
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Schließlich kann als weiterer Vorteil die Rotorwelle steifer als früher
ausgeführt werden, da die Lager beträchtlich näher aneinanderliegen können, wenn
in Erwägung gezogen wird, daß sich die Steifigkeit der Rotorwelle reziprok zur dritten
Potenz der Länge ändert. Die Neigung des Ankers zum Überziehen und Anschlagen an
den Stator infolge der von einem unausgeglichenen Luftspalt hervorgerufenen magnetischen
Kräfte wird daher beträchtlich verringert.