DE1935591C3 - Dreiphasige, vierpolige Wicklung für eine elektrische Maschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine dreiphasige, vierpolige Wicklung für eine elektrische Maschine, bei der jede Wicklungsphase drei parallel geschaltete Wicklungszweige mit in Reihe geschalteten Spulen aufweist, die in vier Zonenbreitsn angeordnet sind.

Eine derartige Wicklung ist aus der US-PS 32 01 627 bekannt. Sie ist zwar vom elektrischen Standpunkt be7'"elich der Symmetrie unter den drei Wicklungszweigei . ht brauchbar, da sie nur eine vernachlässigbar erhöhte relative Erwärmung infolge der Ausgleichsströme ..■■'visclien den parallelgeschalteten Wicklungszweigen verursacht. Mit der Verwendung dieser Wicklung sind aber einige mechanische Schwierigkeiten verbunden. Diese sind in einer großen Anzahl von Überbrükkungsverbindungen begründet, die zwischen den Polen erforderlich sind. Diese Uberbrückungsverbindungen müssen in die Zwischenräume zwischen den Verbindungsringen eingeschachtelt werden, was zu einer Vergrößerung der Generatorlänge führen kann. Außerdem führt jeder Verbindungspunkt zwischen einem Ankerstab und entweder einem Verbindungsring oder 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 Uberbrückungsverbindungen ein entsprechender Raum zur Verfügung stehen. Auch dies kann zu einer Vergrößerung der Maschinenlänge führen. Es ist deshalb wünschenswert, die Anordnung der Überbrükkungsverbindungen von Pol zu Pol und der Verbindüngsringe in dem Stirnbereich der Wicklung so einfach wie möglich zu gestalten.

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 ! gelöst
Vorteilhafte Ausgestallungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Anzahl der Zwischenverbindungen zwischen den Polen und den Verbindungsringen ίο 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 parallelgeschahete Wicklungszweige pro Phase auf, wobei nur eine Phase der dreiphasigen Wicklung dargestellt ist;

F i g. 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 120 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 derattige 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.

so 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 F i g. 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.

10

Wicklungszweig 1 ist in gestrichelten Linien, Wicklungszweig 2 in ausgezogenen Linien und Wicklungszweig 3 in strichpunktierten Linien dargestellt. Es werden Oberbrückungsverbindungen 11a, 13Z> 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 Fig. i ist ersichtlich, daß die Zonenbreite ,\'nur SpulensEÜen von dem Wicklungszweig 1 enthält; Zonenbreite A" enthält Spulenseiten der Wicklungszweige 1 und 2; Zonenbreite Λ'" 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 Λ "und A"\ die jeweils Spulenseiten von zwei Wicklungszweigen aufweisen, ist ferner ersichtlich, daß die Spuienseiten innerhalb der Zonenbreite symmetrisch angeordnet sind, d.h. „, 2 12 2 12 bzw. 2 3 2 2 3 2. Diese werden als »zweikreisi- ^ ge« Zonenbreiten bezeichnet Die Spulenseiten des Wicklungszweiges 2 sind in beiden Zonenbreiten A", A"' 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 Λ ""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 Oberbrückungsverbindungen 136 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 und 136 für diese Phasen vorhanden sind. Diese Verbindungspunkte sind durch kleine Kreise bezeichnet. Die Gesamtzahl für die

Tabelle 2

35

40

45 drei Phasen beträgt also 36 (36 = 12 ">; 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 Zonenbreittn die mechanische Komplexität

Die Anordnung und Verteilung der Wicklungszweige 1, 2 und 3 in den vier Zonenbreiten A', A", A'"und A"" 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° eic. verläuft, wie es auch in der folgenden Tabelle 1 gezeigt ist.

Tabelle 1

	Nut	2	3	+ 15°	+5°	4	5	6
	1		Elektrischer Winkel	1	1
		+25°	1	2	-5°	-15°	-25
	1	3	2	1	1	1
Pol N'	2	3	3	2	1	2
PoIS"	2		2	3	2
Pol N"	3	3	3	3
Pol 5"

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 Nut, zweimal in einer dritten Nut, zweimal in einer vierten Nut, in einer fünften Nut gar nicht und zweimal in einer sechsten 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.

Nut

Wicklungszweig »1«	X	XX	X	X	XX	X
Wicklungszweig »2«	XX	-	XX	XX	-	XX
Wicklungszweig »3«	X	XX	X	X	XX	X

Es sind durchaus auch andere mechanische Anordnungen der Wicklung möglich, ohne daß die elektrische Symmetrie zwischen den 'V-,.: :ngszweigen 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.

Als Mittel zur Bewertung der Unsymmetrie zwischen den parallelgeschalteten Wicklungszweigen in einer bo 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.

Tabelle 3

Wicklungszweig
12 3

Tabelle 4

WickclsehriU Relative Erwärmung

12/18 13/18 14/18 15/18 16/18 17/18

1,016
1,047
1,008
1,035
1,094
1,018

Einheitsspannung 1,0026 0,9949 1,0026

Spannungs-Phasenwinkel 0,0000 0,0000 0,0000 (Radius)

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 einfachere mechanische Verbindung und Anordnung 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.

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 erfindungsgemäße Wicklung 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

2^ri erfindungsgemäße Wicklung, im Gegensalz zu 1,0119 für die bekannte Wicklung.

Es wird angenommen, daß die Darstellung gemäß Fig. 2 ohne weiteres allgemein verständlich ist. Aus dieser Figur kann ein Phasendiagramm konstruiert

jo 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"", B'xma B"\im 90°, 180° und 270° und C", C""und C'um 90°, 180° bzw. 270° gedreht werden.

Hierzu 2 Blau Zcichnuimen

Claims (3)

Patentansprüche:

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.