DE1935591A1

DE1935591A1 - Ankerwicklung fuer mehrphasige dynamo-elektrische Maschine

Info

Publication number: DE1935591A1
Application number: DE19691935591
Authority: DE
Inventors: Willyoung David Mac Cleggan
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-07-15
Filing date: 1969-07-12
Publication date: 1970-08-27
Also published as: JPS5022683B1; DE1935591C3; DE1935591B2; GB1251134A; CH497807A; ES369482A1; FR2012984A1; US3476964A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Ankerwicklungen für große Mehrphasen-Generatoren und insbesondere auf eine Verbesserung des US Patentes 3 201 627. Dieses Patent, auf das hiermit Bezug genommen wird, beschreibt eine Anzahl von Wicklungsarten für vierpolige, dreiphasige Ankerwicklungen mit drei parallelgeschalteten Wicklungszweigen pro Phase. Die in dem Patent be schriebenen Wicklungsarten für einen Kern mit 72 Nuten ergeben einen hohen Grad an Symmetrie unter den drei parallelgeschalteten Wicklungezweigen, sowohl bezüglich der Unsymmetrie der Spannungeamplitude als auch der Unsymmetrie der Phasenverschiebung zwischen einem gegebenen Wicklungszweig und der Phase.

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Die in dem US Patent beschriebenen Wicklungsarten sind zwar vom elektrischen Standpunkt aus betrachtet recht brauchbar, da sie nur eine vernachlässigbare, vergrößerte relative Erwärmung infolge der Ausgleichsströme zwischen den drei parallelgeschalteten Wicklungszweigen verursachen. Mit der Verwendung dieser Wicklungsarten sind aber einige mechanische Schwierigkeiten verbunden. Diese liegen in einer großen Anzahl von Überbrückungsverbindungen begründet, die zwischen den Polen für die bekannten Wicklungsarten erforderlich sind. Diese Überbrückungs-

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verbindungen müssen in die Zwischenräume zwischen den Verbindungsringen eingeschachtelt werden, was zu einer Vergrößerung der Generatorlänge führen kann. Außerdem bildet jeder Verbindungspunkt zwischen einem Ankerstab und entweder einem Verbindungsring oder einer Überbrückungsverbindung einen Punkt zusätzlicher maschineller Konzentration bzw. Verkleinerung des vorhandenen Raumes, was sehr schnell untragbar werden kann, wenn zu viele benachbarte Ankerstäbe derartige Verbindungen benötigen. Auch sind bei Maschinen sehr hoher Leistung, in denen diese Wicklungsarten verwendet werden könnten, die Wicklungen oft flüssigkeitsgekühlt, so daß an jeder Spule Schlauchklemmen erforderlich sind. Somit muß für diese Schlauchklemmen und ebenso für die Überbrückungsverbindungen ein entsprechender Raum zur Verfügung stehen. Auch dies kann zu einer Vergrößerung der Maschinenlänge führen. Es ist deshalb wünschenswert, die Anordnung der Überbrückungsverbindungen von Pol zu Pol und der Verbindungsringe in dem Stirnbereich der Wicklung so einfach wie möglich zu gestalten.

In den Wicklungsarten des oben erwähnten US Patentes wurden nicht weniger als 9 oder 10 mit axialem Abstand angeordnete Stellungen der Verbindungsringe verwendet, wodurch die Gesamtlänge des Generators vergrößert wurde. In den speziellen dort beschriebenen Beispielen befanden sich Spulenseiten von einem der Wicklungszweige in jeder Phase auf drei der vier Pole, während Spulaneeiten von den zwei anderen WίίΛlungszweigen jeweils auf zwei Polen auftraten. Di««· Anor-:u,-mg erfordert· minimal 14 Verbindungepunkte mit d*r Ankerwicklung pro Phae·,

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BAD ORIGINAL

wo der Ankerleiterstab entweder mit einer überbrückungsverbindung oder mit einem "Verbindungsring" verbunden war. (Der Begriff "Verbindungsring" in dieser Anwendung soll eine der elektrischen Verbindungen zwischen den Ankerleitern und den Polen der Maschine bedeuten.) Die hohe Gesamtzahl von 42 Wicklungspunkten für die dreiphasige Maschine (42 = 14 χ 3) bewirkt eine große Konzentration und Schwierigkeit bei einer richtigen Halterung, der Einhaltung der aus elektrischen Gründen erforderlichen Zwischenräume und einer ausreichenden Zugänglichkeit an den Verbindungspunkten zu der Wicklung. Außerdem wird die Verschachtelung der Verbindungsringe und der UberbrUckungsverbindungen von Pol zu Pol in ein kompaktes System erschwert. Abgesehen von den mechanischen Problemen war Jedoch die elektrische Symmetrie der in dem erwähnten Patent beschriebenen einzelnen Wicklungsarten, die elektrisch untereinander äquivalent waren, bei einer nur kleinen Phasenverschiebung und einer geringen Unsymmetrie zwischen den Wicklungszweigen in einer Phase hervorragend.

Der Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung gegenüber dem US Patent 3 201 627 liegt in der Vereinfachung der Stirnverbindungen. Bezüglich der elektrischen Unsymmetrie zwischen den Wicklungszweigen sind die Ausgleichsströme ebenfalls leicht vermindert für die beschriebene bestimmte Ausführungsform (d. h. den Reaktanzwert, die Wicklungsschritte und die Leistung).

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine verbesserte dreiphasige, vierpolige Wicklung mit drei parallelgeschalteten Wicklungszweigen pro Phase zu schaffen, in der die Spulenseiten der Wicklungezweige derart angeordnet sind, daß die Stirnverbindungen der Wicklung vereinfacht sind.

Die Erfindung beeinhaltet ferner eine verbesserte dreiphasige, vierpolige Ankerwicklung mit 72 Nuten und drei parallelgeschalteten Wicklungszweigen pro Phase, in der sich in jeder Zonenbreite eine minimale Anzahl verschiedener Wicklungszweige befindet und die keine Phasenverschiebung (quadrature unbalance)

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zwischen einem gegebenen Wicklungszweig und der Phase aufweist.

Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnungen eines Ausführungsbeispieles gemäß der Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schaubildliche Darstellung einer die Erfindung umfassenden Ankerwicklung einer dynamoelektrischen Maschine. Die dargestellte Wicklung gilt für einen vierpoligen, dreiphasigen und mit 72 Nuten versehenen Anker mit unbestimmten Wicklungsschritt und weist drei parallelgeschaltete Wicklungszweige pro Phase auf, wobei nur eine Phase der dreiphasigen Wicklung dargestellt ist.

Fig. 2 ist eine schentatische Darstellung und zeigt kombiniert die Zonenbreitenanordnung in der Wicklung und ein Vektordiagramm der Komponenten der Phasenspannung für alle drei Wicklungszweige aller drei Phasen.

Kurz gesagt, wird erfindungsgemäß eine Wicklung für eine vierpolige, dreiphasige Maschine mit drei parallelgeschalteten Wicklungszweigen pro Phase geschaffen, in der die Wicklungen in Jeder Zonenbreite derart angeordnet sind, daß die Hälfte der Zonenbreiten nur Spulenseiten von einem Wicklungszweig (single-circuit Zonenbreiten) und die übrigen Zonenbreiten Spulenseiten von nur zwei Wicklungszweigen (double-circuit Zonenbreiten) aufweisen, wobei diese alle symmetrisch angeordnet sind, so daß keine Phasenverschiebung besteht.

Fig. 1 zeigt eine Abwicklung einer feststehenden Ankerwicklung, die in den Nuten eines geblechten Kernes (nicht gezeigt) anzuordnen ist. Ein drehfeiderzeugendes Element, das durch die bei N*, S', N'*, S" bezeichneten Pole dargestellt ist, induziert Spannungen in Nutabschnitten 10 der Wicklung.

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In Fig. 1 ist zwar nur eine Phase der Wicklung dargestellt. Die übrigen Phasen B und C sind aber identisch und lediglich um 120 räumliche Grade in dem Generatorkern verschoben. Die Darstellungsweise in Fig. 1 zeigt auch nicht den genauen Nutenschritt, da es allgemein geläufig ist, daß derartige Wicklungen im allgemeinen gesehnt sind, so daß in einer Zweischichtwicklung die oberen Spulenseiten, wie beispielsweise die Seiten 11, die unteren Spulenseiten, wie beispielsweise die Seiten 12, überlappen.

In Fig. 2 dagegen sind alle drei Phasen im einzelnen und desgleichen die Wicklung gezeigt, wie sie auf einen Kern mit 72 Nuten aufgeteilt ist.

In Fig. 1 sind die zwei positiven Zonenbreiten mit A*, A*¹¹ bezeichnet, während die negativen Zonenbreiten für die Phase A als A¹¹, A^lttf gekennzeichnet sind. Die in einer Klammer zusammengefaßten Zonenbreiten zeigen die Spulenseiten der Oberschicht an, die die Spulenseiten der Unterschicht in Wirklichkeit entsprechend dem gewählten Wickelschritt überlappen.

In Phase A befinden sich drei parallgeschaltete Wicklungszweige. Selbstverständlich weisen auch die anderen Phasen, die in Fig. nicht gezeigt sind, drei parallelgeschaltete Wicklungszweige auf. In Phase A sind diese Wicklungszweige willkürlich mit 1, 2 und 3 bezeichnet, obwohl auch irgendeine andere Kennzeichnung benutzt werden könnte. Die Ziffern könnten auch untereinander ausgetauscht werden, ohne daß dadurch das elektrische Schema verändert werden würde. Die verwendeten Buchstaben oder Ziffern dienen also nur der Bezeichnung und der Unterscheidung der Wicklungszweige untereinander.

Wicklungezweig 1 ist in gestrichelten Linien, Wicklungezweig 2 in ausgezogenen Linien und Wicklungezweig 3 in strichpunktierten Linien dargestellt. Es werden überbrUckungeverbindungen 13a, 13b von Pol zu Pol verwendet, um die Leiter des gleichen Wicklunge- zwelges in zwei benachbarten Zonenbreiten zu verbinden. Ver-

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bindungsringe 14 dienen zur Verbindung der Wicklungszweige 1, und 3 mit den Maschinenklemmen.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß die Zonenbreite A* nur Spulenseiten von dem Wicklungszweig 1 enthält; Zonenbreite A'* enthält Spulenseiten der Wicklungszweige 1 und 2; Zonenbreite A*^f» enthält Spulenseiten der Wicklungszweige 2 und 3 und Zonenbreite A * * * * enthält nur Spulenseiten des Wicklungszweiges 3. Somit besitzen also zwei der vier Zonenbreiten Spulenseiten von nur jeweils einem Wicklungszweig. Diese werden deshalb als "einkreisige" Zonenbreiten bezeichnet.

Bezüglich der Zonenbreiten A'* und A^flt, die jeweils Spulenseiten von zwei Wicklungszweigen aufweisen, ist ferner ersichtlich, daß die Spulenseiten innerhalb der Zonenbreite symmetrisch angeordnet sind, d. h. 2 1 2 2 1 2 bzw. 2 3 2 2 3 2 . Diese werden als "zweikreisige" Zonenbreiten bezeichnet. Die Spulenseiten des Wicklungszweiges 2 sind in beiden Zonenbreiten A*¹, A^ftt enthalten und sind in jeder in der gleichen Weise angeordnet, d. h. 2-22-2, 2-22-2.

Diese symmetrische Verteilung wird durch Verwendung einer einzigen uberbrückungsverbindung 13 a vom Pol zu Pol erreicht, die zur Verbindung der Spulenseiten des Wicklungszweiges 2 dient, die auf beschriebene Weise in den Nuten der zwei mittleren Zonenbreiten symmetrisch angeordnet sind. *>ie Zonenbreiten A* und A**'* setzen sich allein aus Spulenseiten des Wicklungszweiges 1 bzw. 3 zusammen. Die zusätzlichen Spulenseiten der Wicklungszweige 1 und 3, die zur Vervollständigung der Wicklung erforderlich sind, sind in den übrigen Nuten der Zonenbreiten A**, A*** angeordnet und unter Verwendung der uberbrückungsverbindung 13b von Pol zu Pol mit den zwei äußersten Zonenbreiten A', A*'* verbunden.

Es ist ersichtlich, daß für diese Anordnung 12 Verbindungspunkte zwischen den Ankerstäben und entweder d«n StirnverbinedR(?Mringen 14 oder den Zon*nbreit*nüb«rbs. Äsungen 13a und

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13b für diese Phasen vorhanden sind. Diese Verbindungspunkte sind durch kleine Kreise bezeichnet. Die Gesamtzahl für die drei Phasen beträgt also 36 (36 = 12 χ 3), was eine Verringerung von 14,3 % im Vergleich zu der minimalen Zahl von 42 Verbindungspunkten bedeutet, die nach dem US Patent 3 201 627 erforderlich sind. Darüber hinaus verkleinert die mechanische Symmetrie zwischen den Zonenbreiten die mechanische Komplexität.

Die Anordnung und Verteilung der Stromkreise 1, 2 und 3 in den vier Zonenbreiten A¹, A*¹, A^ltf und A*^ftl sind sowohl bezüglich des Auftretens als auch ihrer Lagen in den Wicklungsnuten in der folgenden Tabelle 1 zusammengefaßt. Die elektrische Verschiebung zwischen den Nuten beträgt in einer vierpoligen Maschine mit 72 Nuten 10°, so daß relativ zur Mittellinie der Zonenbreiten die Nut 1 bei +25°, Nut 2 bei +15° etc. verläuft, wie es auch in der folgenden Tabelle 1 gezeigt ist.

	1	Tabelle 1	3	4	5	6
Nutlage	+25	2	+5°	-5°	-15°	-25°
Elektrischer Winkel	1	° +15°	1	1	1	1
Pol N«	2	1	2	2	1	2
Pol S«	2	1	2	2	3	2
Pol N·¹	3	3	3	3	3	3
Pol S»^f	3

Demzufolge tritt Wicklungszweig 1 einmal in einer ersten Nutlage (+25°), zweimal in einer zweiten Nutlage (+15°), einmal in einer dritten Nutlage (+5°), einmal in einer vierten Nutlage (-5°), zweimal in einer fünften Nutlage (-15°) und einmal in einer sechsten Nutlage (-25°) auf.

Wicklungszweig 2 erscheint zweimal in einer ersten Nutlage, gar nicht in einer zweiten Nutlage, zweimal in einer dritten Nutlage, zweimal in einer vierten Nutlage, in einer fünften Nutlage gar

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■ ■ , ■ - 8 - .

nicht und zweimal in einer sechsten Nutlage.

Für Wicklungszweig 3 bestehen bezüglich der verschiedenen Nut· lagen die gleichen Verhältnisse wie für Stromkreis 1.

Diese Beziehungen sind noch einmal in der folgenden Tabelle 2 zusammengetragen.

Tabelle 2

Nutlage	»1 JH	1	2	3	4	5	6
Stromkreis	"2"	X	XX	X	■' χ	XX	X
Stromkreis	««3"	XX	-	XX	XX	-	XX
Stromkreis	X	XX	X	X	XX	X

Für den Durchschnittsfachmann ist ersichtlich, daß alternative mechanische Anordnungen der Wicklung erhalten werden können, ohne daß die elektrische Symmetrie zwischen den Wicklungszweigeη verändert wird, indem lediglich die Pole N«, S«, N«· oder S** in gewünschter Folge ausgetauscht werden. Dabei ist lediglich auf die magnetische Polarität Rücksicht zu nehmen. Erfindungsgemäß sollen alle diese mechanischen Veränderungen, die den allgemeinen, in Tabelle 2 zusammengefaßten Aufbau hervorrufen, eingeschlossen sein.

Als Mittel zur Bewertung der Unsymmetrie zwischen den parallelgeschalteten Wicklungszweigen in einer Phase werden im allgemeinen die folgenden Definitionen verwendet. Die p.u. (per unit)-Spannung von nur einem einer Anzahl von paralleler Wicklungszweige einer Phase umfaßt das Verhältnis zwischen der in einem Wicklungszweig erzeugten Leerlaufspannung und der Nennspannung der Phase, und sie ist ein Maß für die Unsymmetrie der Größe der Spannung zwischen dem einen Wicklungezweig und der gesamten Phase. Auf ähnliche Welse ist die Phasenver schiebung zwischen der in dem einen Wicklungszweig erzeugten

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LeerlaufSpannung und der Nennspannung der Phase ein Maß für die Unsymmetrie des Phasenwinkels zwischen dem einen Wicklungszweig und der Phase,

Tabelle 3

Wicklungs zweig 1 2 3

Spannungsgröße (p.u.) 1,0026 0,9949 1,0026 Spannungs-Phasenwinkel (Radius) 0,0000 0,0000 0,0000

Wie in Tabelle 3 gezeigt ist, besteht unter den drei parallelgeschalteten Wicklungszweigen 1, 2 und 3 ein hoher Symmetriegrad. Die Unsymmetrie der Spannungsgröße ist nur sehr gering, und es ist keine Verschiebung des Phasenwinkels oder Unsymmetrie des Phasenwinkels zwischen den Wicklungszweigen vorhanden. Aus- der letzten Feststellung folgt, daß das Wickelschema aufgrund der symmetrischen Verteilung eine verbesserte Eignung der mechani-

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sehen Verbindung und Anordnungen liefert, während im Vergleich zu einer exakt symmetrischen Wicklung nur eine vernachlässigbare, erhöhte relative Erwärmung erzeugt wird.

Die relative Erwärmung in der Ankerwicklung hängt verständlicherweise von dem Nutenschritt und ebenso von anderen Faktoren, wie z. B. dem Nennfluß pro Pol, ab. Für eine bestimmte Ausführungsform ist die relative Erwärmung in dem Wicklungszweig mit der größten Erwärmung berechnet. Die Werte sind in der folgenden Tabelle 4 zusammengestellt.

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	Tabelle 4	Relative Erwärmung
Wickelschritt		1,016
12/18		1,047
13/18		1,008
14/18		l,O35
15/18		1,094
16/18		1,018
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Diese Tabelle 4 ist aus den gleichen Ergebnissen hergeleitet worden, wie sie für die vergleichbare Tabelle 4 in dem US Patent 3 201 627 verwendet wurden, um einen exakten Vergleich zu ermöglichen. Es ist ersichtlich, daß die Werte für die relative Erwärmung ein wenig höher liegen. Bei Maschinen mit größerer Reaktanz, die für Maschinen mit höheren Betriebsdaten bezeichnend ist, liefert die Erfindung Jedoch eine kleinere relative Erwärmung. Beispielsweise beträgt bei einem Generator mit einem Wickelschritt von 15/18 der Faktor für die relative Erwärmung 1,0113 für die vorliegende Erfindung, im Gegensatz zu 1,0119 für die bekannte Wicklungsart. Von diesem Standpunkt aus sind deshalb durch die Verwendung der Erfindung Verbesserungen möglich. Es ν rd angenommen, daß Fig. 2 für den Durchschnittsfachmann verständlich ist. Aus dieser Figur kann ein Phasendiagramm konstruiert werden, indem die Vektoren der Spulen der Zonenbreiten A**, A*'* und A*^tt( im Gegenuhrzeigersinn um 90°, 180° bzw. 270° gedreht werden; desgleichen können die Zonenbreiten B·»»·, B· und B»¹ um 90°, 180° und 270° und C"¹, C·-··· und C« um 90°, 180° bzw. 270° gedreht werden.

Die beschriebene Wicklungsart schafft leicht verbessert· elektrische Vorteile im Verhältnis zu dem erwähnten US Patent 3 201 627; aber zusätzlich liefert diese Wichlungeart vom Standpunkt der mechanischen Ausgestaltung β its** wesentlich· Verbesserung für eine einfache Konstruktion eines Generators,

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Während beispielsweise bisher an einem Ende des Generators 42 Wicklungsverbindungsleiter und 9 oder 10 im axialen Abstand angeordnete Stellen für die Überbrückungen von Pol zu Pol und die Verbindungsringe erforderlich waren, benötigt die vorliegende Erfindung nur 36 Wicklungsverbindungsleiter und gestattet eine Verschachtelung der tJberbrückungen und Verbindungsringe in nur 8 axiale Stellungen.

Somit ist also eine verbesserte mehrphasige Ankerwicklung beschrieben worden, die einen symmetrischen Aufbau der Wicklungszweige schafft, der keine Unsymmetrie der Phasenverschiebung aufweist und der die Stirnverbindungen der Wicklung vom mechanischen Standpunkt her erleichtert.

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Claims

- 12 PATENTANSPRÜCHE

(1. !Dynamoelektrische Maschine mit einer mehrphasigen, vierpoligen Wicklung, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wicklung in vier Zonenbreiten angeordnet ist und drei parallelgeschaltete Wicklungszweige (1, 2, 3) umfaßt, und jeder Wicklungszweig von jeder Phase (A, B, C) der Wicklung eine gegebene Anzahl in Reihe geschalteter Spulen enthält, die jeweils zwei Spulenseiten (11, 12) aufweisen, wobei zwei Zonenbreiten (A¹ bzw. A»*»*) jeweils Spulenseiten von nur einem einzigen Wicklungszweig (1 bzw. 3) enthalten.
2. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die anderen zwei Zonenbreiten (A*· bzw. A^ffl) jeweils Spulenseiten von nur zwei Wicklungszweigen (2 und 1 bzw. 2 und 3) enthalten, wobei ein Wicklungszweig (2) den beiden Zonenbreiten (A¹*, A»¹¹) gemeinsam ist.
3. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennze lehnet , daß die Spulenseiten des gemeinsamen Wicklungszweiges (2) in jeder dieser zwei Zonenbreiten in den gleichen entsprechenden Nutlagen angeordnet s ind.
4. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß eine erste Zonenbreite (A¹) nur Spulen von einem ersten Wicklungszweig, eine zweite Zonenbreite (A**) Spulen von dem ersten und zweiten Wicklungszweig, eine dritte Zonenbreite (A·¹·) Spulen von dem zweiten und dritten Wicklungszweig und eine vierte Zonenbreite (A****) nur Spulen von dem dritten Wicklungszweig enthält.

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5. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Wicklung in einem Kern mit 72 Nuten angeordnet ist, die Stromkreise mit 1, 2, 3 bezeichnet sind und die benachbarten Spulenseiten in den entsprechenden Zonenbreiten in der Reihenfolge an-' geordnet sind;

Zonenbreite Wicklungszweigfolge

Erste 111111

Zweite 212212

Dritte 232232

Vierte 333333

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