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" Zweischichtwicklung für elektrische Maschinen mit direkter Leiterkühlung
#t Bei bekannten Zweischichtstabwicklungen liegen in einer Nut des Stators zwei
Stäbe, deren Leiter meist nach dem Rböbelprinzip miteinander verdrillt sind, übereinander.
Mit Rücksicht darauf, daß bei konventionell gekühlten Maschinen pro Flächeneinheit
der Stabisolation nur eine begrenzte Wärmemenge bei einem gegebenen Temperaturgefälle
zwischen Leiterkupfer und Eisen übertragen werden kann, ist die putenbreite beschränkt.
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Bei Maschinen mit direkter Leiterkühlung besteht diese Einschränkung
nicht, da die im Leiter entstehende Verlustwärme nicht mehr durch die Stabisolation
hindurch an die Nutwand,sondern direkt, an ein durch die Hohlkanäle des Stabes hindurchgeleitetes
gasförmiges oder flüssiges Kühlmedium abgegeben wird. Bei solenan Aaschineu besteht
die Möglichkeit, zwei Leiterstäbe nebeneinander in der Nut als Doppei-Roebelstab
anzuordnen. Solche Maschinen werden daher häufig mit kleinen Nutenzahlen und großer
Nutenbreite ausgeführt. Die beiden nebeinander in der Nut liegenden Leiterstäbe
sind gemeinsam isolier und umbacken und werden elektrisch wie ein einziger Leiter
behandelt.
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Die Verbreiterung der Nut bringt aber den Nachteil mit sieh daß die
parallel geschalteten Leiterstäbe in weit stärkerem Maße durch Streufelder beeinflußt
werden, als schmälere Stäbe. In den-Doppel-Roebelstäben entstehen dann sog. Schlingströme,
die erhebliche zusätzliche Verluste in der Statorwicklung hervorrufen können.
Zunächst
sollen die Maßnahmen betrachtet werden, die eine Herabsetzung der zusätzlichen Verluste
in den Leiterstäben ermöglichen Einzelröebelstäbe sind innerhalb des Eisens um 360o
verdrillt, d.h. jeder Teilleiter nimmt über die Eisenlänge betrachtet,einmal jede
mögliche Lage innerhalb des Leiterstabes an. Die in Richtung der Nutbreite tangential
verlaufende Streufelder können in dem Stab daher keine zusätzlichen Verluste durch
Wirbelströme hervorrufen. Man kann die Verdrillung noch weiter @ehnen, um den Einfluß
von Streufeldern auf die außerhalb des Eisens liegenden Teile des Leiterstabes,
die Stirnverbindungen, zu verkleinern.So ist es bekannt, die Leiterstäbe im Blechpaket
um 540° zu verdrillen und in den Stirnverbindungen die Teilleiter bis zur Verbindungsstelle
isoliert voneinander zu führen. Eine andere Möglichkeit, diese zusätzlichen Verluste
zu verringern, besteht darin, ausser der Verdrillung der Leiterstäbe um 360o im
aktiven Teil die Stirnverbindungen auf jeder Maschinenseite um je 180o nach Art
eines Roebelstabes zusätzlich zu verdrillen.
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Die beschriebenen Anordnungen ergeben auch eine teilweise Verklei
nerung des Einflusses der radial in Richtung Nuttiefe verlaufenden Streufelder.
Eine weitere Möglichkeit, den Einfluß der radial verlaufenden Streufelder zu verkleinern
besteht darin, die @eilleiter eines Stabes in den Stirnverbindungen in zwei voneinander
isolierte Gruppen aufzuteilen, um diese im Verlauf eines Stranges mindestens einmal
seitenvertauscht mit den Gruppen des nächsten Stabes zu verbinden.
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Werden solche Maßnahmen für die Einzelroebelstäbe eines Doppelstabes,
der aus zwei nebeneinander in der Nut liegenden Stäben besteht, getroffen, ergibt
sich lediglich eine Kompensation der Einzelstäbe. Sind die beiden Einzelstäbe z.B.
durch Lötverbindungen an den Stabenden miteinander verbunden, so wird eine Wi@#..ung
gebildet, in der die radial verlaufenden Streufelder Spannungen induzieren können,
die zu zusätzlichen Verlusten führen. Als solche Streufelder wirken sowohl die sog.
Nutenlängsfelder als auch Streufelder im Wickelkopfraum.
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Es ist bereits bekannt, bei Einschichtstabwicklungen, bei denen jeder
Stab aus mehreren, in sich kompensierten Einzelstäben beste die Einzelstäbe einer
Nut auf einer Maschinenseite miteinander
leitend mit einem
gemeinsamen Verbindungsbügel zu verbinden, die anderen freien Ende der Stäbe dagegen
mit den freien Enden der Einzelstäbe einer anderen Nut einzeln mit Verbindungsbügeln
derart zu verbinden, daß jeweils entgegengesetzt liegende Stäbe der beiden Nuten
in Reihe liegen. Dieser Ausführung liegt-die Voraussetzung zu Grunde, daß eine Kompensation
eines solchen Mehrfachstabes bereits innerhalb zweier Nuten, also einer elektrischen
Windung erfolgt. Dies trifft jedoch nur für den Einfluß des Nutenlängsfeldes zu.
Auf einer Maschinenseite wird ferner derjenige Anteil des Stirnstreufeldes kompensiert,
der von der einen Leiterschicht, der der zu kompensierende Stab angehört, verursacht
wird (Eigenfeld) Die zweite Komponente des Stirnstreufeldes, die von der anderen
Leiterschicht verursacht wird, (Fremdfeld) wird dabei nicht erfaßt. Die Ströme in
den beiden Schichten der Stirnverbindungen einer Zweischicht wicklung sind phasenverschoben
und kreuzen sich unter einem bestimmten Winkel. Bei iMaschinen großer Leistung,
insbes. solchen mit direkter Kühlung der Statorwicklung ist im übrigen der Strombelag
so groß, daß der Einfluß der Stirnstreufelder den des Nutenlängsfeldes bei weitem
überwiegt. Die Einwirkung des Fremdfeldes ist bei solchen Maschinen besonders groß
und deren Beseitigung verdient besondere Aufmerksamkeit.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, bei elektrischen Maschinen mit direkter
Leiterkühlung mittels einer Flüssigkeit mit Zweischichtwicklung und zwei in tangentialer
Richtung nebeneinander liegenden elektrisch parallel geschalteten Leiterstäben pro
Nut den Einfluß der Streufelder und die damit verbundenen Verluste zu reduzieren,
um eine erhöhte Ausnutzung der Maschine zu ermöglichen.
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Die Lösung besteht gemäß der Erfindung darin, daß die parallelen Leiterstäbe
einer Schicht jeder Nut wenigstens auf einer Maschinenseite, auch an den Verbindungsstellen
mit den Leiterstäben der anderen Schicht einer Windung voneinander isoliert sind,
und daß wenigstens ar. jeder zweiten Verbindungsstelle zweier Leiterstäbe der Oberschicht
mit zwei Leiterstäben der Unterschicht auf einer Maschinenseite Kreuzunger vorgesehen
sind, die einen Wechsel der gegenseitigen Zage der Leiterstäbe in tangentialer Richtung
innerhalb der Nuten eines Wicklungsstranges bewirken.
Die Zu- und
Abfuhr der Kühlflüssigkeit erfolgt bei flüssigkeitsgekühlten elektrischen Maschinen
durch Isolierschläuche, die an den Verbindungsstellen zweier Leiterstäbe auf jeder
Maschinenleite angeschlossen werden können. Wegen der relativ großen spezifischen
Wärme von Flüssigkeiten können auch kühlungsmäßig mehrere Stäbe in Reihe geschaltet
und von der Kühlflüssigkeit durchflossen werden, ohne daß die Gefahr besteht, daß
eine ausreichende Wärmeabfuhr nicht gewährleistet ist, wodurch die erforderliche
Anzahl der Isolierschläuche für die Zufuhr des Kühlmittels reduziert wird. Bei voneinander
isolierten Einzelstäben ergibt sich zunächst eine Verdopplung der Anzahl der Flüssigkeitsanschlüsse.
Bei einer Weiterbildung gemäß der Erfindung wird die Anzahl der
| erforderlichen Kühlmittelanschlüsse dadurch verringert, daß
die |
| in .der Nut tangentialnX'IedfAI'Teiden Leiterstäbe einer Sc--,icht |
auf der einen Maschinenseite an den Verbindungsstellen mit den Leiterstäben der
anderen Schicht miteinander leitend verbunden sind, daß an diesen Verbindungsstellen
die Anschlüsse für die Kühlflüssigkeitszufuhr bzw. Abfuhr angebracht sind und daß
auf der anderen Maschinenseite an den Verbindungsstellen zweier Leiterstäbe Kreuzungen
vorgesehen sind, die einen Wechsel der gegenseitigen Lage der Stäbe in tangentialer
Richtung innerhalb der Nuten einer Windung bewirken.
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Eine andere Möglichkeit, die Anzahl der Leiteranschlüsse zu verkleinern
besteht darin, daß die Anschlüsse für die Zufuhr und Abfuhr der Kühlflüssigkeit
nur auf einer Maschinenseite vorhanden sind und daß nur auf dieser Seite an den
Verbindungsstellen zweier Leiterstäbe Kreuzungen vorgesehen sind und zwar derart,
daß Kreuzungen und Verbindungsstellen, an denen die Leiterstäbe ein@zr Schicht miteinander
leitend verbunden sind,'einander abwechseln,,, während auf der anderen Maschinenseite
in an sich bekannter Weise die parallelen Leiterstäbe einer Schicht jeder Nut-auch
an den Verbindungsstellen mit den Leiterstäben der anderen-Schicht einer Windung
voneinander isoliert sind.
In der Zeichnung sind u.a. Ausführungsbeispiele
der Wicklungsanordnung gemäß der Erfindung dargestellt. In den Figuren 1 und 2 sind
Wicklungsanordnungen bekannter Art und in den Fig. 3 - 5 Wicklungsanordnungen gemäß
der Erfindung dargestellte Die Figuren 6 und 7 zeigen die Verbindungs- bzw. Kreuzungsstellen
der Leiterstäbe an den Stirnverbindungen.
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In der Fig. l ist eine Wicklungsanordnung bekannter Art mit zwei parallelen
Leiterstäben in jeder Etage.der Nut schematisch dargestellt. Die innerhalb der Nut
nach Art eines Roebelstabes ver -drillten Leiterstäbe 1, 2 sind an der Maschinenseite
A mit den Leiterstäben 5, 6 der oberen Etage der Windung und untereinander verbunden.
Das gleiche gilt für die Leiterstäbe 3, 4 und 7, 8 auf der Maschinenseite A und
für die Leiterstäbe 3, 4 und 5, 6 auf der Maschinenseite B. Auf dieser Seite sind
auch am Beginn der Spulengruppe die Leiterstäbe 1, 2 untereinander verbunden. Die
Anschlüsse für die Zu- und Abfuhr der Kühlflüssigkeit sind mit K bezeichnet.
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Bei der in Fig. 2 dargestellten Wicklungsanordnung bekannter Art sind
am Beginn der Spulengruppe die Leiterstäbe 1 und 2 auf der Maschinenseite B miteinander
verbunden. An den übrigen Verbindungsstellen sind die beiden Leiterstäbe jeder Etage
einer Nut voneinander isoliert und mit den Leiterstäben gleicher tangentialer Lage
der oberen Etage der Windung verbunden.
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Der AnsehluB der Isolierschläuche für die Zuführung der Kühl -flüssigkeit
erfolgt bei beiden Wicklungsanordnungen auf einer Maschinenseite. Bei der Anordnung
gemäß Fig. 1 ist ein Anschluß pro Verbindungsstelle erforderlich. Bei der Wicklungsanordnung
gemäß Fig. 2 ist wegen der durchgehend isolierten Führung ver in der Nut parallel
nebeneinander liegenden Leiterstäbe eine Ver -doppeleng der Anzahl der Kühlmittelzuführungsstellen
erforderlich. Bei der Anordnung gemäß Fig. 2 ergibt sich bereits eine gewisse Verringerung
der Verluste) die wesentlichen, durch Schlingströme verursachten Verluste, sind
jedoch nicht beseitigt.
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Die Fig. 3 zeigt eine Wieklun$eanordnung gemäß Erfindung.
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Bei dieser Wicklungsanordnung sind die beiden Leiterstäbe einer
Etage derfNut an den Verbindungsstellen auf beiden Maschinensei-
ten
voneinander isoliert und die Stäbe wechseln auf einer Masehi-
nenseite
A ihre Lage in tangentialer Richtung innerhalb der Nut. Bei dieser Anordnung werden
die große Verluste verursachenden Schlingströme vermieden. Für die Flüssigkeitskühlung
sind jeweils die Leiterstäbe einer Windung, also zwei Leiterstäbe, in Reihe geschaltet.
An jeder zweiten Verbindungsstelle wird die Kühlflüssigkeit zugeführt und an den
dazwischen liegenden Verbindungsstellen wird die Kühlflüssigkeit abgeführt. Jede
der getrennten-Verbindungsstelle der einen Maschinenseite (B) hat also einen Anschluß
zur Zu- bzw. Abfuhr der Kühlflüssigkeit.
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In der Fig. 4 ist eine Wicklunganordnung dargestellt, bei der auf
der einen Maschinenseite (A) Kreuzungen vorgesehen sind und auf der anderen Maschinenseite
(B) Verbindungen zwischen den beiden paralellen Leiterstäben einer Windung. An diesen
Verbindungsstellen sind in gleicher Weise, wie bei der Anordnung gemäß Fig. 3 die
Külflüssigkeitsanschlüsse vorgesehen. Die Anzahl der Kühlflüssigkeitaanachlüsae
wird jedoch halbiert. Die konstruktive Ausführung ist zwar einfacher; dies wird
jedoch mit einem Ansteigen der zusätzlichen Verluste erkauft. Unter bestimmten Voraussetzungen
tritt jedoch keine wesentliche Erhöhung der Verluste gegenüber einer Wicklungsanordnung
gemäß Fig. 3 ein. Dies ist dann der Fall, wenn die Ober- und Unterschicht der Wicklung
sich im Wikkelkopfraum unter einem bestimmten Winkel schneiden, da dann die beiden
in verschiedenen Phasen des Streufeldes liegenden Hälften der Windung sich nur wenig
beeinflussen können.
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In der Fig. 5 ist eine weitere Wicklungsanordnung dargestellt, die
gegenüber der Wicklungsanordnung gemäß Fig. 4 den Vorteil aufweist, mit der halben
Anzahl von Anschlüssen für die Kühlflüssigkeit auszukommen. Bei dieser Anordnung
sind auf der einen Maschinenseite (A) die beiden Leiterstäbe einer Etage jeweils
isoliert voneinander mit denen der anderen 1'eiterstäbe einer Windung verbunden.
Auf der anderen Maschinenseite (B) weist jede zweite Verbindungsstelle eine Kreuzung
auf, während an den dazwischen liegenden Verbindungsstellen eine Verbindung der
beiden Leiterstäbe jeder Etage einer Windung und jeder Nut besteht. An diesen Verbindungsstellen
sind auch die Anschlüsse für die Kühl-. flüseigkeit angebracht, ao daß die Anzahl
dieser Anschlüsse gegenüber
der Wicklungsausführung gemäß Fig.
4 halbiert ist. Es werdenalso jeweils 4 Leiterstäbe hintereinander von der Flüssigkeit
durchflossen.
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Bezüglich der Kompensation der Schlingströme sind zwei Windungen,
die in der Phasenilage der induzierten Spannung nur entsprechend einer Nutteilüng
voneinander abweichen, gegeneinander geschaltet. Die Kompensation der Sgchlingströme
ist daher fast vollkommen.Dies gilt dann, wenn die Anzahl der Nuten pro Pol und
Phase eine gerade Zahl ist, Bei einer ungeraden Anzahl der Nuten pro Pol und Phase
bleibt allerdings eine Windung unkompensiert, was eine gewisse Erhöhung der Verluste
zur Folge hat.
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Ausführungsbeispiele-der Verbindungsstellen bzw. der Kreuzungen sind
in den Fig. 6b und 7 dargestellt. Fig. 6 zeigt eine Ausführung einer isolierten
Verbindungsstelle, wie sie beispielsweise bei der Wicklungsanordnung gemäß Fig.
3 auf der Maschinenseite B vorgesehen ist. Die beiden Leiteretäbe einer Etage einer
Nut sind voneinander isoliert geführt und mit den entsprechenden Leiterstäben der
anderen Etage verbunden. Die beiden Leiterstäbe einer Nut sind an der Verbindungsstelle
voneinander isoliert. Die Anschlüsse für die hlflüssigkeit wurden nicht eingezeichnet.
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Bei der Kreuzung, wie sie in der Fig. 7 dargestellt ist, ist jeweils
der linke Leiterstab der Unterschicht mit einem rechten Leiterstab der oberen Schicht
der anderen Nut der Windung verbunden. Die beiden Verbindungen sind voneinander
isoliert. Solche Kreuzungen sind z.B, auf der Maschinenseite A der Wicklungsanordnung
gemäß .,zig: 5.:.,uhd 4 vorgesehen.