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Fliehkraftentlastung der Wickelkopfkappen bei einem Turbogenerator,
dessen Windungen in der Rotorwicklung aus Stücken in Rechteckform zusammengesetzt
sind Die Wickelköpfe der Rotoren von Turbogeneratoren werden bekanntlich durch Kappen
aus unmagnetischem Stahl gegen die radial nach außen wirkenden Fliehkräfte abgestützt.
Da die Flächenbelastung durch die Fliehkraft über die innere Zylinderfläche des
Kappenringes im allgemeinen nicht gleichmäßig verteilt ist, entstehen im Ring außer
den tangentialen Zugkräften auch Biegungsmomente. Unter deren Einfluß erfolgen ovale
Deformationen, die nur an den axialen Enden des Ringes, einerseits an der Sitzstelle
am Ballenende, anderseits durch den innerhalb des Ringes liegenden Kappenboden,
begrenzt werden.
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Man hat versucht, die Kappenbeanspruchung beispielsweise durch Zusatzgewichte
auszugleichen und so das Ovalwerden zu verhindern. Das hatte aber den Nachteil,
daß die tangentialen Zugbeanspruchungen erhöht wurden.
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Es sind auch Ausführungen bekanntgeworden, bei welchen die Querschnitte
im Spulenkopf ganz oder teilweise gegenüber den Querschnitten in der Nut verringert
werden sollen, um eine Vergleichmäßigung der Kappenbeanspruchung zu erreichen, ohne
jedoch irgendwelche Angaben über das erforderliche Ausmaß und die Verteilung dieser
Verringerungen.
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Außerdem erfordern die Verringerungen derWickelkopfquerschnitte entsprechende
nachträgliche Bearbeitungen, z. B. durch Abfräsen.
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Hingegen zeigt die vorliegende Erfindung einen Weg, wie man bei einem
Turbogenerator, dessen Windungen in der Rotorwicklung aus Stücken in Rechteckform
zusammengesetzt sind, einen Ausgleich erzielen kann. Gemäß der Erfindung wird dies
dadurch erreicht, daß die Querschnitte der axialen, aus den Nuten tretenden Leiterteile
und der in Umfangrichtung verlaufenden Leiterteile des Wickelkopfes in an sich bekannter
Weise verschieden groß sind und in einem solchen Verhältnis stehen, daß die Fliehkräfte
der unter dem Kappenring liegenden Wickelköpfe, bezogen auf gleiche, durch Nutteilung
und axialen Abstand der in Umfangrichtung verlaufenden Leiterteile gegebene Rechteckflächen,
gleich groß sind, damit die Entstehung von Biegungsmomenten im Kappenring verhindert
wird.
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An Hand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher
beschrieben. Die F i g. 1 zeigt die abgewickelte äußere Zylinderfläche eines Spulenkopfes;
mit A sind die axialen, mit B die in Umfangsrichtung liegenden Windungsteile
bezeichnet. Die Teilung der A-Leiter sei t", die der darauf senkrecht stehenden
B-Leiter tb. Die entsprechenden Leiterbreiten seien a und b. Sie sind
bei gleicher radialer Leiterhöhe ein Maß für die Leiterquerschnitte QA bzw. QB und
damit auch ein Maß für die Gewichte bzw. Fliehkräfte je Längeneinheit.
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Legt man über die Zeichnung der Wickelköpfe ein Netz mit den Geraden
m und n, die jeweils in der Mitte zwischen den Leitern liegen, so
entsteht eine Rechteckeinteilung mit den obenerwähnten Flächenelementen, bei denen
drei verschiedene Belastungsformen festzustellen sind. In den F i g. 2a, 2b und
2c sind diese drei Formen vergrößert dargestellt.
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Für die Gleichheit der Flächenbelastung der einzelnen Rechtecke muß
die Gleichung QA ' tb = QB ' ta (1)
erfüllt sein.
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Bei gleicher Leiterhöhe für A und B lautet sie: a tb
= b ta (2)
In beiden Rechtecken der F i g. 2a und 2b ist damit der
Ausgleich erreicht. Auch für die Rechtecke, in denen die Leiter im rechten Winkel
verbunden sind (F i g. 2c), besteht Belastungsgleichheit, weil die kleinen Flächen
gleich groß sind. Denn es ist nach (2)
und damit
Der oben dargestellte Ausgleich gilt für die äußere Leiterschicht. Bei den darunterliegenden
Schichten muß berücksichtigt werden, daß die Teilung proportional mit dem Radius
r kleiner wird. Für die Kappenbelastung ist die Summe der Fliehkräfte von allen
übereinanderliegenden Leiterschichten zu bestimmen.
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In der F i g. 3 ist der Schnitt senkrecht zur Achse einer Läuferspule
gezeigt. Für den Bereich des Axialteiles A mit dem Gesamtquerschnitt (r,-r,)
- a gilt als Summenfliehkraft je Flächeneinheit der Spulenoberfläche, bezogen
auf den äußeren Radius r2:
Für den Wickelkopfteil B erstreckt sich die äußerste Schicht über die Länge t".
Bei den darunterliegenden nimmt sie im Verhältnis
ab. Das Gewicht der Elementarschicht ist also
proportional, und man erhält je Flächeneinheit auf der Spulenoberfläche, bezogen
auf den äußeren Radius r2:
Das Verhältnis der beiden Fliehkräfte ist:
Die Bedingung für Fliekraftausgleich aller Rechtecke in der F i g. 1 lautet somit
bei einer radialen Spulenhöhe r2-r,
Gewöhnlich sind bei einem bestimmten Maschinenmodell die Nutteilung ta und der KupferquerschnittQA
der Nut gegeben, desgleichen r2 und r,.
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Aus (8) ist dann der Querschnitt Qb zu bestimmen:
Es hängt nur noch von der Teilung tb ab, die in gewissen Grenzen frei gewählt werden
kann. Im allgemeinen wird der Querschnitt QB kleiner als Q.4 und damit die Stromdichte
im Kopf höher gewählt werden können.
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Der nach (8) erzielte Ausgleich reicht im Beispiel der F i g. 1 von
m, bis m4. Man wird deshalb das Kappenende bei m4 anordnen. Der Raum zwischen Ballenende
o-o und m, ist nicht ausgeglichen; man kann aber diesen Abstand bei eckigen
Spulen klein halten, außerdem tragen die axialen Wicklungsteile außerhalb o-o noch
etwas mit. Überdies können unausgeglichene Restfliehkräfte in Ballennähe durch die
Abstützung auf der steifen Ballenzentrierung praktisch nicht zur Entstehung von
Biegungsbeanspruchungen führen.