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Polspule für umlaufende Feldwicklungen Umlaufende Polspulen von elektrischen
Maschinen, z. B. von Synchronmaschinen unterliegen der Zentrifugalkraft, die diese
Spulen radial nach außen drückt. Da die Richtung der auf die beiden axialen Spulenseiten
wirkenden Kraft nicht parallel zur Spulenachse ist, entstehen Kraftkomponenten,
die in Umfangsrichtung des Polrades wirken. Diese Kräfte sind bestrebt, die Leiter
der Polspule vom Polkern wegzuziehen.
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Es ist bekannt, zur Aufnahme dieser Kräfte zwischen den Außenflächen
der Polspulen V-förmige Stützkörper anzuordnen. Solche Stützkörper behindern aber
in erheblichem Maße die Belüftung der Oberfläche der Polspulen und damit die Abführung
der in den Polspulen entstehenden Verlustwärme. Da die Stützkörper ebenso wie die
Polspulen durch die Zentrifugalkraft beansprucht werden, müssen diese sorgfältig
im Polkörper verankert werden, um die auf sie und die Polspulen einwirkenden Kräfte
aufnehmen zu können. Für die Befestigung solcher Stützkörper ist außerdem ein zusätzlicher
Raum zwischen den Spulen und vor allem an der Polwurzel am Läuferstern erforderlich,
der für Zwecke der Wicklung verlorengeht.
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Es sind auch bereits Polspurenanordnungen in rechteckiger Form bekannt,
bei denen die parallel zur Maschinenachse liegenden Windungsteile in einem Winkel
zur Polachse hin aufgebogen sind. Zwischen Läuferstern und Polspule sowie zwischen
Polspule und Polschuh sind dabei Spulenflansche angeordnet, die die abgewinkelten
Polspulenteile in ihrer Stellung halten. Die an den Polschuhen angeordneten Spulenflansche
nehmen die in senkrechter Richtung zur Spulenachse wirkenden Kraftkomponenten der
Zentrifugalkraft auf. Diese bekannte Anordnung besitzt jedoch den Nachteil, daß
bedingt durch die große Höhe der Spulenflansche der ausnutzbare Wickelraum für die
Polspule verkleinert wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Einbau von seitlichen Stützkörpern
zu vermeiden und somit die Wärmeabfuhr von der Spulenoberfläche zu verbessern sowie
den für die Wicklung zur Verfügung stehenden Raum zu vergrößern. Die Lösung der
Aufgabe besteht bei einer als Hochkantwicklung ausgebildeten Polspule für umlaufende
Feldwicklungen für elektrische Maschinen, insbesondere für Synchronmaschinen darin,
daß erfindungsgemäß die Leiter der Wicklung einen trapezförmigen Querschnitt besitzen,
wobei die Leiter an der Innenseite der Spule eine größere Höhe als an der Außenseite
der Spule aufweisen.
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Gegenüber der obenerwähnten bekannten rechteckigen Polspulenanordnung,
bei der die parallel zur Maschinenachse verlaufenden Spulenteile in einem Winkel
zur Polachse hin aufgebogen sind, erlaubt es die erfindungsgemäße Polspulenanordnung
bei gleichen mechanischen und elektrischen Daten der Maschine mit einem kleineren
Läuferdurchmesser und damit auch einem kleineren Stännderinnendurchmesser auszukommen,
so daß sich auch ein kleiner Gehäusedurchmesser ergibt, womit eine Verkleinerung
des Gewichtes und des Raumbedarfes und damit eine Verringerung der Maschinenkosten
und der Gebäudekosten verbunden sind.
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Grundsätzlich ist die Verwendung von trapezförmigen Leitern bereits
bei den Ständerwicklungen elektrischer Außenpolmaschinen bekannt. Dies geschieht
bei den bekannten Maschinen jedoch nicht, um die auf die rotierenden Polspulen wirkenden
Tangentialkräfte aufzufangen, denn auf die ruhenden Ständerwicklungen wirken keine
Zentrifugalkräfte, sondern die trapezförmigen Leiter kommen bei den bekannten Ständerwicklungen
zur Anwendung, um einen guten Füllfaktor zu erzielen.
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Die erfindungsgemäße Polspulenanordnung soll an Hand eines Ausführungsbeispieles
näher erläutert werden. In der F i g. 1 ist ein Schnitt durch ein Polrad mit einer
einlagigen Hochkantwicklung und in der F i g. 2 ein ebensolcher Schnitt durch eine
mehrlagige Wicklung dargestellt. In den Figuren ist mit 1 der Läuferstern, mit 2
der Polkern, mit 3 der Polschuh und mit 4 die Polspule bezeichnet. Mit 5 und 6 sind
die oberen bzw. die unteren Spulenflansche bezeichnet. Die mit 7 bezeichneten Einzelleiter
sind trapezförmig ausgebildet. Dabei ist die Seite des trapezförmigen Leiters mit
der größeren Höhe an der Innenseite und die Seite mit der kleineren Höhe an der
Außenseite der Spule angeordnet. Besitzt ein
solcher trapezförmiger
Leiter an der Innenseite der Spule z. B. eine um etwa 20% größere Höhe, so ergibt
sich auch beim Wickeln ein Spulenkörper, dessen Höhe innen um etwa 20% größer als
außen ist. Die Spulenflansche 5 und 6 sind im Schnitt ebenfalls keilförmig ausgebildet,
um die Differenz der Höhe der Polspule an ihrer inneren Außenseite auszugleichen.
Grundsätzlich wäre es natürlich auch möglich, die Form des Läufersterns bzw. des
Polschuhs an die Form der Polspule anzupassen.
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Beim Rotieren des Polrades wirkt bei der erfindungsgemäßen Anordnung
zwar ebenfalls durch die Zentrifugalkraft eine Kraftkomponente in Umfangsrichtung.
Die Leiter der Spule können infolge ihrer trapezförmigen Ausbildung jedoch nicht
nach außen ausweichen, weil durch die keilförmigen Spulenflansche diese zusammen
mit den Leitern wie ein Gewölbe wirken, das sich einerseits auf den Läuferstern
und andererseits auf den Polschuh abstützt.
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Die Anordnung gemäß der Erfindung läßt die gesamte Oberfläche der
Polspule frei von sie abdeckenden Haltekonstruktionen, so daß von der Oberfläche
der Polspule die Stromwärmeverluste auf die sie umspülende Kühlluft bzw. ein Kühlgas
gut übertragen werden kann.
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Polspulen der beschriebenen Art können sowohl in kreisförmiger als
auch rechteckiger Form hergestellt werden. Das trapezförmige Flachkupfer wird bei
der Herstellung der Spule in bekannter Weise auf einen Dorn mit abgerundeten Ecken
aufgewickelt. Zwischen den einzelnen Windungen werden in üblicher Weise Isolationszwischenlagen
eingelegt. Anschließend wird die Polspule gegebenenfalls unter der Anwendung von
Wärmeeinwirkung zusammengepreßt: Die Spule kann dann auf den Polkern aufgeschoben
werden, nachdem vorher der untere Spulenflansch auf den Polkern aufgeschoben ist.
Der untere Spulenflansch 6 stützt sich gegenüber dem Spulenflansch des benachbarten
Poles ab, wenn der bei Rotation des Polrades dem Einfluß der in Umfangsrichtung
wirkenden Komponenten der Zentrifugalkraft unterliegt. Beim oberen Spulenflansch
5 wird die in Umfangsrichtung wirkende Kraftkomponente durch eine Nase 8 am Polschuh
aufgenommen.
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Zur Verbesserung der Ventilation besteht die Möglichkeit, wie in der
F i g. 1 dargestellt ist, z. B. jede vierte Spulenwindung mit einer größeren Breite
herzustellen, um in bekannter Weise die Abkühlung zu verbessern.
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In der F i g. 2 ist eine Polspule dargestellt, die aus zwei konzentrisch
ineinander gesteckten Spulen der beschriebenen Art besteht. Zwischen der Innenseite
der äußeren und der Außenseite der inneren Spule ist dabei ein Abstand vorgesehen,
so daß sich ein für die Führung eines Kühlgases benutzbarer Raum ergibt. Damit ist
eine wirksame Kühlung der inneren Spule möglich. Eine solche Maßnahme ist bei umlaufenden
Feldwicklungen bereits bekannt. Sie kann aber vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen
Polspulenanordnung angewandt werden. Dabei unterscheidet sich der Aufbau der beiden
Spulen grundsätzlich nicht von der im Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 beschriebenen
Anordnung. Selbstverständlich ist es auch möglich, mehr als zwei Spulen konzentrisch
ineinander anzuordnen.