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Wechselstromstabwicklung Mit Rücksicht auf die Stromverdrängung ist
es bekannt, die Wicklungen elektrischer Maschinen mit Gitterstäben auszuführen.
Da solche Gitterstäbe verhältnismäßig teuer sind, zieht man es vor, vor allem Maschinen
mit verhältnismäßig kurzem Blechpaket mit Massivstäben auszurüsten. Infolge der
Stromverdrängung ist bei einer Frequenz von 50 Hz die Höhe solcher Massivstäbe jedoch
auf etwa 11 mm begrenzt. Da auch die Stabbreite nicht beliebig vergrößert werden
kann und die Stromdichte mit Rücksicht auf die Erwärmung mit zunehmendem Querschnitt
reduziert werden muß, ist der mit solchen Massivstäben zu beherrschende Strom begrenzt.
Man hat daher an Stelle der einfachen Massivstäbe bereits Kreuzstäbe verwendet,
d. h. Stäbe, die jeweils aus vorzugsweise zwei gegeneinander isolierten, etwa in
der Mitte des Blechpaketes miteinander verschränkten Teilleitern bestehen. Bei der
Verwendung solcher Kreuzstäbe, die nur unwesentlich teurer als einfache Massivstäbe
sind, kann bei gleichem Stromverdrängungsfaktor die Stabhöhe auf das etwa 1,4fache
vergrößert werden. Mit solchen Kreuzstäben sind daher zahlreiche Schwungradgeneratoren
und Bordnetzgeneratoren ausgerüstet worden.
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Durch die Erfindung wird es möglich, die Stabhöhe elektrischer Maschinen
weiter zu vergrößern, ohne daß die teuren Gitterstäbe angewendet werden müssen.
Gemäß der Erfindung werden jeweils zwei Kreuzstäbe zu einem Spulenleiter zusammengefaßt,
so daß sie mithin einen Doppelkreuzstab bilden; wesentlich ist hierbei, daß die
auch im Wickelkopf und in den Schaltverbindungen gegeneinander isolierten Kreuzstäbe
im Laufe eines Wicklungszuges jede mögliche Höhenlage in der Nut einmal oder mehrmals
einnehmen. Jeder aus mehreren Spulen zusammengesetzte Wicklungszug besteht also
aus zwei parallelen Zweigen. Das Zusammenschalten dieser parallelen Zweige kann
erfolgen, wenn beide Zweige elektrisch äquivalent sind. Im allgemeinen wird dies
jedoch erst dann der Fall sein, wenn die innerhalb der Nut jeweils zu einer Spulenseite
zusammengefaßten Kreuzstäbe, die also jeweils in einer Nut eine bestimmte Höhenlage
einnehmen, im Verlaufe des sich über eine Vielzahl von Nuten erstreckenden Wicklungszuges
die möglichen Höhenlagen mehrmals eingenommen haben. In einer mehrsträngigen Wechselstromwicklung
gibt es nämlich häufig Nuten, in denen sich Spulenseiten befinden, die zu verschiedenen
Wicklungssträngen gehören. Eine elektrische Äquivalenz der parallelen Zweige eines
Wicklungszuges ergibt sich bei einer solchen Wicklung erst dann, wenn nach mehrmaliger
Anordnung der Kreuzstäbe in der gleichen Höhentage bei geeigneter Vertauschung mit
den in den gleichen Nuten liegenden Kreuzstäben anderer Wicklungsstränge eine gleichmäßige
Kopplung zwischen den zu verschiedenen Wicklungssträngen gehörenden Kreuzstäben
erzielt ist.
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Mit einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Wicklung ist es möglich,
bei gleichem Stromverdrängungsfaktor die Stabhöhe auf das 1,4fache des einfachen
Kreuzstabes bzw. auf das zweifache des Massivstabes zu steigern.
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An sich ist es bekannt, die Leiter einer elektrischen Maschine aus
einer Vielzahl von Teilleitern aufzubauen, die innerhalb der halben Länge der Nut
verdrillt und im Wickelkopf isoliert geführt werden. Weiterhin ist es bekannt, die
aus Litzen aufgebauten Einzelleiter einer Wicklung jeweils zu zwei Leitern zusammenzufassen,
die dann ihrerseits wieder zu vier Leitergruppen zusammengeschaltet werden; durch
entsprechende Verschränkung wird hierbei erreicht, daß jede Leitergruppe in der
Nut jede Höhenlage im Laufe des Wicklungszuges einmal annimmt. Demgegenüber befaßt
sich die Erfindung mit einer besonders günstigen Anordnung von Kreuzstäben, wobei
jeweils zwei Kreuzstäbe pro Spulenseite zu einem Doppelkreuzstab zusammengefaßt
werden; durch die Anordnung der einzelnen Kreuzstäbe wird hierbei dafür Sorge getragen,
daß jeder Kreuzstab im Laufe eines Wicklungszuges jede mögliche Höhenlage ein- oder
mehrmals einnimmt, bevor die Kreuzstäbe elektrisch miteinander verbunden werden.
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Zur Erläuterung der Erfindung sind in der Fig. 1 für eine Zweischichtwicklung
die Querschnitte eines
Massivstabes M, eines Kreuzstabes K und eines
gemäß der Erfindung verwendeten Doppelkreuzstabes D bei gleichem Stromverdrängungsfaktor
in gleichem Maßstab nebeneinander dargestellt. Da es sich um eine Zweischichtwicklung
handelt, liegen in jeder Nut jeweils zwei Spulenseiten als Oberschicht o und als
Unterschicht u. Beim Massivstab M bestehen die in der Oberschicht
o und in der Unterschicht u liegenden Spulenseiten jeweils aus einem massiven Stab.
Von diesem Massivstab unterscheidet sich der Kreuzstab K dadurch, daß die in der
Oberschicht und in der Unterschicht liegenden Spulenseiten jeweils aus zwei gegeneinander
isolierten Teilleitern a und b bestehen. Diese Teilleiter sind etwa
in der Mitte des Blechpaketes miteinander verschränkt, so daß beispielsweise in
der linken Hälfte des Blechpaketes der Teilleiter a auf dem Teilleiter
b liegt, wie es in der Fig. 1 dargestellt ist, während in der rechten Hälfte
des Blechpaketes der Teilleiter b auf dem Teilleiter a liegt. In den Wickelköpfen
sind die beiden Teilleiter a und b zu beiden Seiten der Maschine zusammengeschaltet.
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Bei dem im rechten Teil der Fig. 1 dargestellten Doppelkreuzstab D
sind jeweils zwei Kreuzstäbe zu einer Spulenseite zusammengefaßt. Die in der Unterschicht
u liegende Spulenseite besteht also, wenn die einzelnen Höhenlagen der Kreuzstäbe
in der Nut mit den Ziffern 1 bis 4 bezeichnet werden, aus dem in der Lage 1 befindlichen
Kreuzstab (Teilleiter a1 und b1) und aus dem in der Lage 2 befindlichen Kreuzstab
(Teilleiter a2 und b2); die in der Oberschicht o liegende Spulenseite besteht hingegen
aus dem in der Lage 3 befindlichen Kreuzstab (Teilleiter a3 und b3) und dem in der
Lage 4 befindlichen Kreuzstab (Teilleiter a4 und b4). Die in den einzelnen Lagen
befindlichen Kreuzstäbe sind durch Nut- und Stirnseite durchgehend isoliert. Innerhalb
der Nut werden dann die zu einer Spulenseite zusammengefaßten Kreuzstäbe von der
Nutisolierhülse G umfaßt.
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In Fig. 2 ist am Beispiel einer Zweischichtwicklung erläutert, in
welcher Weise gemäß der Erfindung bei einer mit Doppelkreuzstäben ausgerüsteten
Wicklung die im Laufe eines Wicklungszuges liegenden Spulenseiten miteinander verbunden
werden. Es ist angenommen., daß die in den Nuten I bis IV liegenden Spulenseiten
einen fortlaufenden Wicklungszug bilden. Die zuoberst gezeichnete Spulenseite liegt
in der Unterschicht der Nut I, die darunterliegende Spulenseite in der Oberschicht
der Nut II, die nächste Spulenseite in der Unterschicht der Nut III und die zuunterst
gezeichnete Spulenseite in der Oberschicht der Nut IV. In bekannter Weise wechseln
also die aufeinanderfolgenden Spulenseiten ihre Lage in der Ober- bzw. in der Unterschicht
ab.
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Jede Spulenseite besteht in Durchführung des Erfindungsgedankens aus
zwei Kreuzstäben, die jeweils für sich durchgehend umbandelt und nutseitig zusätzlich
durch die gemeinsame Isolierhülse G isoliert sind. In der schematischen Darstellung
der Fig. 2, in der durch vertikale Striche die Blechpaketlänge angedeutet ist, ist
durch die Ziffern 1 bis 4 die Lage der zu dem dargestellten Wicklungszug gehörenden
Kreuzstäbe angedeutet. Bei der in der Unterschicht der Nut I befindlichen Spulenseite
befinden sich die beiden Kreuzstäbe in den Lagen 1 und 2. Die Stirnverbindungen
zu der in der Oberschicht der Nut Il befindlichen Spulenseiten ist derart getroffen,
daß der in der Lage 1 angeordnete Kreuzstab der Nut I mit dem in der Lage 4 angeordneten
Kreuzstab der Nut II verbunden ist, während der Kreuzstab in der Lage 2 der Nut
I mit dem Kreuzstab in der Lage 3 der Nut II zusammengeschaltet ist. Bei der Stirnverbindung
zwischen der in der Oberschicht der Nut II befindlichen Spulenseite mit der in der
Unterschicht der Nut IH angeordneten Spulenseite ist der Kreuzstab in der Lage 3
der Nut II mit dem Kreuzstab in der Lage 1 der Nut III und der Kreuzstab in der
Lage 4 der Nut II mit dem Kreuzstab in der Lage 2 der Nut III verbunden. Bei der
Stirnverbindung zwischen der in der Unterschicht der Nut HI angeordneten Spulenseite
und der in der Oberschicht der Nut IV liegenden Spulenseite ist der Kreuzstab in
der Lage 1 der Nut III mit dem Kreuzstab in der Lage 4 der Nut IV und der Kreuzstab
in der Lage 2 mit dem Kreuzstab in der Lage 3 der Nut IV verbunden. Der dargestellte
Wicklungszug besteht also aus zwei parallelen Zweigen. Die Kreuzstäbe jedes Zweiges
nehmen jede innerhalb einer Nut mögliche Höhenlage einmal ein.
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In den Fig. 3 und 4 sind schematisch die Zwingen dargestellt, mit
denen die Wickelköpfe der Wicklung der Fig.2 zusammengeschaltet werden. Auf der
linken Seite der Wicklungsanordnung der Fig. 2 ist jeweils der Übergang von der
Lage 3 zur Lage 1 und der Übergang von der Lage 4 zur Lage 2 erforderlich. Demzufolge
ergibt sich auf der linken Seite der Maschine für die Zwingen das Schema der Fig.
3. Auf der rechten Seite der Wicklungsanordnung der Fig. 2 ist hingegen der Übergang
von der Lage 1 zur Lage 4 und der Übergang von der Lage 2 zur Lage 3 erforderlich,
so daß sich hier für die Zwingen das Schema für die Fig. 4 ergibt. Durch Einlegen
geeigneter Zwischenstücke kann erreicht werden, daß sämtliche Zwingen gleiche Abmessungen
erhalten.
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Es empfiehlt sich ferner, die Enden der Kreuzstäbe in tangentialer
Richtung zu stauchen. Hierdurch werden die Abmessungen der Zwingen in tangentialer
Richtung verkleinert, so daß sich zwischen den Zwingen ausreichende Abstände für
die Anwendung des bekannten Tauchlötverfahrens ergeben.
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Bei dem in der Fig. 2 dargestellten Schema einer Zweischichtwicklung
haben die einzelnen Kreuzstäbe nach vier im Laufe des Wicklungszuges aufeinanderfolgenden
Nuten sämtliche vier möglichen Höhenlagen in der Nut eingenommen. Es könnten also
jeweils nach vier Nuten die parallelen Zweige dieses aus vier Nuten bestehenden
Wicklungszuges parallel geschaltet werden. Da jedoch im allgemeinen bei einer mehrsträngigen
Wechselstromwicklung in einer Reihe von Nuten in Oberschicht und Unterschicht Spulenseiten
liegen, die zu verschiedenen Wicklungssträngen gehören, so ist im allgemeinen nach
vier aufeinanderfolgenden Nuten noch keine elektrische Äquivalenz der parallelen
Zweige dieses Wicklungszuges erreicht. Es muß vielmehr darauf geachtet werden, daß
bei einer mehrsträngigen Wicklung die Kopplung zwischen den zu verschiedenen Strängen
gehörenden Kreuzstäben über die ganze Wicklung gleichmäßig durchgeführt wird.
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Als Ausführungsbeispiel hierfür ist in der Fig. 5 das Wicklungsbild
einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Zweischichtwicklung mit acht Polen und 30
Nuten, also mit q =1l/4 Nuten je Pol und Strang, dargestellt. Die jeweils zu einer
Spulenseite zusammengefußten Kreuzstäbe bilden durch die ganze Wicklung zwei parallele
Zweige für jeden Wicklungsstrang.
Die Höhenlagen 1 bis 4 in den
Nuten sind durch dem Schema der Fig. 6 zu entnehmende unterschiedliche Linien gekennzeichnet.
Wie insbesondere das in der Fig. 6 angegebene Schema der Stabverteilung innerhalb
des Wicklungsstranges U-X erkennen läßt, sind in jedem Zweig eines Wicklungszuges
gleich viele Stäbe gleicher Lage enthalten. So befinden sich beispielsweise in den
Nuten 11, 27, 12, 15 und 18 zum ersten Zweig des Wicklungsstranges U-X
ge-
hörende Kreuzstäbe in der Lage 1; in den Nuten 30,
3, 19, 4 und
26 befinden sich Kreuzstäbe des gleichen Zweiges in der Lage 2, usw.
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Nicht alle Nuten der dargestellten Wicklung enthalten in Ober- und
Unterschicht Spulenseiten, die zum gleichen Wicklungsstrang gehören. Vielmehr sind
beispielsweise in den Nuten 26, 22, 18, 11, 7 und 3 Spulenseiten untergebracht,
von denen die eine zum Wicklungsstrang U-X und die andere zum Wicklungsstrang Y-Y
gehört. Ferner gibt es Nuten, in denen jeweils eine Spulenseite des Wicklungsstranges
U-X und des Wicklungsstranges W-Z bzw. eine Spulenseite des Wicklungsstranges V-Y
und des Wicklungsstranges W-Z untergebracht sind. Die Anordnung dieser Nuten sowie
die Anordnung der Kreuzstäbe der in diesen Nuten befindlichen Spulenseiten ist dabei
so getroffen, daß sich über die ganze Wicklung für jeden Zweig eines Wicklungsstranges
elektrische Aquivalenz ergibt, so daß die Zweige der einzelnen Wicklungsstränge
an den Ein- bzw. Ausgangsklemmen der Wicklung parallel geschaltet werden können.
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Zur Veranschaulichung des durch die Erfindung erzielten Vorteiles
ist in der Fig.7 der mittlere Stromverdrängungsfaktor S in Abhängigkeit von der
Stabhöhe H für eine Wicklung mit Massivstäben M,
mit einfachen Kreuzstäben
K und mit gemäß der Erfindung ausgebildeten Doppelkreuzstäben D dargestellt. Wie
die gestrichelt eingetragene Linie zeigt, wird der mittlere kritische Wert Si bei
der Verwendung von Doppelkreuzstäben erst bei einer wesentlich größeren Stabhöhe
erreicht, als es bei der Verwendung von Massivstäben bzw. einfachen Kreuzstäben
der Fall ist.
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Ergänzend sei noch erwähnt, daß auch die Maschinenausnutzung durch
die Verwendung von gemäß der Erfindung vorgesehenen Doppelkreuzstäben gegenüber
der mit Massivstäben bzw. einfachen Kreuzstäben erreichbaren Ausnutzung erheblich
gesteigert wird.