DE1935591B2 - Dreiphasige, vierpolige Wicklung für eine elektrische Maschine - Google Patents
Dreiphasige, vierpolige Wicklung für eine elektrische MaschineInfo
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- H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
- H02K3/28—Layout of windings or of connections between windings
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine dreiphasige, jo
vierpolige Wicklung für eine elektrische Maschine, bei
der jede Wicklungsphase dre; parallel geschaltete
Wicklungszweige mil in Reihe geschalteten Spulen aufweist, die in vier Zonenbreiten a; jeordnet sind.
Eine derartige Wicklung ist aus der US-PS 32 01 627 y,
bekannt. Sie ist zwar vom elektrischen Standpunkt bezüglich der Symmetrie unter den drei Wicklungszweigen
recht brauchbar, da sie nur eine vernachlässigbar erhöhte relative Erwärmung infolge der Ausgleichsströme
zwischen den parallelgeschalteten Wicklungszweigen verursacht. Mit der Verwendung dieser Wicklung
sind aber einige mechanische Schwierigkeiten verbutiden.
Diese sind in einer großen Anzahl von Überbrükkungsverbindungen begründet, die zwischen den Polen
erforderlich sind. Diese Überbrückungsverbindungen π müssen in die Zwischenräume zwischen den Verbindungsringen
eingeschachtelt werden, was zu einer Vergrößerung der Generatorlänge führen kann. Außerdem
führt jeder Verbindungspunk! zwischen einem Ankerstab und entweder einem Verbindungsring oder -,0
einer Überbrückungsverbindung zu einer 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 diese -,-> 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 <jo
Vergrößerung der Maschinenlänge führen. Es ist deshalb wünschenswert, die Anordnung der Überbrükkungsverbindungen
von Pol zu Pol und der Verbindungsringe in dem Stirnbereich der Wicklung so einfach
wie möglich zu gestalten. hr>
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, eine Wicklung für eine elektrische
Maschine zu schaffen, bei der die Spulseiten der Wicklungszweige derart angeordnet sind, daß die
Stirnverbindungen der Wicklung vereinfacht sind.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Anzahl der Zwischeiverbindungen
zwischen den Polen und den Verbindungsringen wesentlich verkleinert werden kann. Gegenüber den
bekannten Wicklungen beträgt diese Verkleinerung etwa 15%. Dieser Vorteil wirkt sich insbesondere bei
großen Maschinen kostensenkend und raumsparend aus und vereinfacht die Fertigung.
Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnungen eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Ankerwicklung einer elektrischen Maschine gemäß dem
beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die dargestellte Wicklung gilt für einen vierpoligen,
dreiphasigen und mit 72 Nuten versehenen Anker mit unbestimmtem Wicklungsschritt und weist drei parallelgeschaltete
Wicklungszweige pro Phase auf, wobei nur eine Phase der dreiphasigen Wicklung dargestellt ist;
Fig.2 ist eine schematische Darstellung und zeigt kombiniert die Zonenbreitenanordnung in der Wicklung
und ein Vektordiagramm der Komponenten der Phasenspannung für alle drei Wicklungszweige aller
drei Phasen.
Fig. 1 zeigt eine Abwicklung einer feststehenden Ankerwicklung, die in den Nuten eines geblechten
Kernes (nicht gezeigt) anzuordnen ist. Ein drehfelderzeugendes Element, das durch die bei N', S', N", S"
bezeichneten Pole dargestellt ist, induziert Spannungen in Nutabschnitten 10 der Wicklung.
In Fig. 1 ist zwar nur eine Phase A der Wicklung
dargestellt. Die übrigen Phasen Sund Csind aber gleich aufgebaut und lediglich um I/O räumliche Grade in dem
Generatorkern verschoben. Die Darstellungsweise in F i g. 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 F i g. 1 sind die zwei positiven Zonenbreiten mit A'
A'" bezeichnet, während die negativen Zonenbreiten für die Phase A mit A ", A ""bezeichnet 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 parallelgeschaltete
Wicklungszweige. Selbstverständlich weisen auch die anderen Phasen, die in Fig. 1 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.
Wicklungsiweig 1 ist in gestrichelten Linien, Wicklungszweig 2 in ausgezogenen Linien und Wicklungszweig 3 in strichpunktierten Linien dargestellt Es
werden Überbrückungsverbindungen 13a, 136 von Pol zu Pol verwendet, um die Leiter des gleichen
Wicklungszweiges in zwei benachbarten Zonenbreiten zu verbinden. Verbindungsringe 14 dienen zur Verbindung
der Wicklungszweige 1, 2 und 3 mit den Maschinenklemmen.
Aus Fi g. 1 ist ersichtlich, daß die Zonenbreite A'nur
Spulenseiten von dem Wicklungszweig 1 enthält; Zonenbreite A" enthält Spulenseiten der Wicklungszweige 1 und 2; Zonenbreite /!'"enthält Spulenseiten
der WickJungszweige 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'", die jeweils
Spulenseiten von zwei Wicklungszweigen aufweisen, ist ferner ersichtlich, daß die Spulenseiten innerhalb der
Zonenbreite symmetrisch angeordnet sind, d. h. 2 12 2 12 bzw. 2 3 2 2 3 2. Diese werden als »zweikreisige«
Zonenbreiten bezeichnet Die Spulenseiten des Wicklungszweiges 2 sind in beiden Zonenbreiten A",
Λ'"enthalten und sind in jeder in der gleichen Weise
angeordnet, d. h. 2 - 2 2 - 2,2 - 2 2 - 2.
Diese symmetrische Verteilung wird durch Verwendung einer einzigen Überbrückungsverbindung 13a von
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. Die Zonenbreiten A'und
/!""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 Überbrückungsverbindungen 13i>
von Pol zu Pol mit den zwei äußersten Zonenbreiten A', A '"verbunden.
Es ist ersichtlich, daß für diese Anordnung zwölf Verbindungspunkte zwischen den Ankerstäben und
entweder den Stirnverbindungsringen 14 oder den Zonenbreitenüberbrückungen 13a rnd 136 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 bei einer bekannten Wicklung gemäß der eingangs genannten
US-PS 32 01 627 erforderlich sind. Darüber hinaus verkleinert die mechanische Symmetrie zwischen den
Zonenbreiten die mechanische Komplexität
Die Anordnung und Verteilung der Wicklungszweige 1,2 und 3 in den vier Zonenbreiten A', A", A'"und A""
ίο sind sowohl bezüglich des Auftretens als auch ihrer
Anordnung 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
Pol | N' | Nut | 2 | + 15 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
Pol | S" | I | Elektrischer | 1 | Winkel | ||||
30 Pol | N" | +25° | ! | ο +5o | -5° | -15° | -25 | ||
25 | Pol | S" | 1 | 3 | 1 | 1 | 1 | 1 | |
2 | 3 | 2 | 2 | 1 | 2 | ||||
2 | 2 | 2 | 3 | 2 | |||||
3 | 3 | 3 | ;, | 3 | |||||
Demzufolge tritt Wicklungszweig 1 einmal in einer ersten Nut ( + 25°), zweimal in einer zweiten Nut
(+15°), einmal in einer dritten Nut ( + 5°), einmal in einer vierten Nut (-5°), zweimal in einer fünften Nut
(— 15°) und einmal in einer sechsten Nut (-25°) auf.
Wicklungszweig 2 erscheint zweimal in einer ersten Nut, gar nicht in einer zweiten Nul. zweimal in einer
drit.en Nut, zweimal in einer vierten Nut, in einer fünften Nut gar nicht und zweimal in einer sechstel, Nut.
Für Wicklungszweig 3 bestehen bezüglich der verschiedenen Nuten die gleichen Verhältnisse wie für
den Wicklungszweig 1.
Diese Beziehungen sind noch einmal in der folgenden Tabelle 2 zusammengetragen.
Tabelle 2 | Nut I |
XX
\x |
J | 4 | S | 6 |
X
XX X |
X
XX X |
XX
X |
XX XX |
X XX X |
||
Wicklungszweig »1« Wieklungszweig »2« Wicklungszweig »3« |
||||||
Es sind durchaus auch andere mechanische Anordnungen
der Wicklung möglich, ohne daß die elektrische Symmetrie zwischen den Wicklungszweigen verändert
wird, indem lediglich die Pole N', S', N" oder 5" in gewünschter Folge ausgetauscht werden. Dabei ist
lediglich auf die magnetische Polarität Rücksicht zu nehmen.
Als Mittel zur Bewertung der Unsymmetrie zwischen den parallelgeschaltcten Wicklungszweigen in einer
Phase werden im allgemeinen die folgenden Definitionen verwendet. Die Einheitsspannung von einem
Wicklungszweig einer Phase beinhaltet das Verhältnis zwischen der in einem Wicklungszweig erzeugten
Leerlaufspannung und der Nennspannung der Phase. Sie ist ein Maß für die Unsymmetrie der Größe der
Spannung zwischen dem einen Wicklungszweig und der gesamten Phase. In ähnlicher Weise ist Phasenverschiebung
zwischen der in dem einen Wicklungszweig
erzeugten Leerlaufspannung und der Nennspannung der Phase ein Maß für die Unsymmetrie des
Phasenwinkels zwischen dem einen Wicklungszweig und der Phase.
Wickkingszweig
I 2 3
I 2 3
Hinheilsspannung 1.0026 0.9949 1.0026
Spannungs-Phasenwinkcl ().()()()() 0.0000 0,0000 (Radius)
Wie in Tabelle 3 gezeigt ist. besteht unter den drei
parallclgcschiilieicM Wickliingszweigen 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 Phasenwinkel /wischen den Wicklungs/.weigen
vorhanden. Aus der letzten Feststellung folgt, daß das Wickelschema aufgrund der symmetrischen Verteilung
eine einfachere mechanische Verbindung und Anordnung liefert, während im Vergleich zu einer exakt
symmetrischen Wicklung nur eine vernachlässigbarc, 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 Ausführungsfonii ist die relative
Erwärmung in dem Wicklungszweig mit der größten Erwärmung berechnet. Die Werte sind in der folgenden
Tabelle 4 zusammengestellt.
Wickclschrill Relative Lrwiirmung
12/18
13/18
14/18
15/18
16/18
17/18
1,016
1,047
1.008
1,035
1,094
1,018
1,047
1.008
1,035
1,094
1,018
Diese Tabelle 4 wurde auf der Basis der gleichen technischen Daten erstellt, die auch für die vergleichbare
Tabelle 4 in der eingangs genannten US-PS 32 01 627 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 Reaktenz, die für Maschinen mit höheren Betriebsdaten bezeichnend ist. liefert die
erfindungsgemiiße Wicklung jedoch eine kleinere relative Erwärmung. Beispielsweise beträgt bei einem
Generator mil einem Wickelschritt von 15/18 der Faktor für du; relative Erwärmung 1.0113 für die
erfindungsgemäße Wicklung, im Gegensatz zu 1.0119 für die bekannte Wicklung.
Es wird angenommen, daß die Darstellung gemäß F i g. 2 ohne weiteres allgemein verständlich ist. Aus
dieser Figur kann ein Phasendiagramm konstruiert werden, indem die Vektoren der Spulen der Zonenbreiten
A", A'"und A"" im Gegenuhrzeigersinn um 90 .
180° bzw. 270° gedreht werden: desgleichen können die Zonenbreiten B"". ß'und S"um 90", 180° und 270° und
C". C""und C'um 90°, 180° bzw. 270° gedreht werden.
llici/u 2 liliiti ZcicliiHirmen
Claims (3)
1. Dreiphasige, vierpolige Wicklung für eine elektrische Maschine, bei der jede Wicklungsphase
drei parallel geschaltete Wicklungszweige mit in Reihe geschalteten Spulen aufweist, die in vier
Zonenbreiten angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,
daß eine erste Zonenbreite (A') nur Spulen von dem ersten Wicklungszweig, die
darauf folgende zweite Zonenbreite (A ") Spulen von dem ersten und zweiten Wicklungszweig, die
nächstfolgende dritte Zonenbreite (A'")Spulen von dem zweiten und dritten Wicklungszweig und die
vierte Zonenbreite nur Spulen von dem Dritten Wicklungszweig enthält.
2. Wicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spulenseiten des gemeinsamen Wicklungszweiges (2) in jeder dieser zwei Zonenbreiten
in-den gleichen Nuten angeordnet sind.
3. Wicklung nach Anspruch 2 für einen Anker mit 72 Nuten, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite
Wicklungszweig in der zweiten und dritten Zonenbreite jeweils die erste, dritte, vierte und sechste Nut
benützt. η
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