DE1961660A1 - Mehrphasige Zweischicht-Stab-Wellenwicklung fuer einen insbesondere als Ruehrspule fuer Metallschmelzen geeigneten Wanderfeldinduktor - Google Patents

Description

AEG-El ο the rci GmbH
Romseheid-Hasten
Hammesberger Str. 31

Mehrphasige Zweischicht-Stab-Wellenwicklung für einen,insbesondere als Rührspule für Metallschmelzen geeigneten Wanderfeldinduktor

Die Erfindung betrifft eine mehrphasige Zweischicht-Stab-Wellenwicklung mit einem Wickelkopf in einer Ebene für einen, insbesondere als Rührspule für Metallschmelzen geeigneten Wanderfeldinduktor mit halbbewickelten Randpolen.

Ein solcher Wanderfeldinduktor kann im Prinzip als die ebene Abwicklung des Stators eines normalen Wechselstrommotors aufgefaßt werden. Er besteht im wesentlichen aus einem ebenen, langgestreckten und genuteten Blechpaket, in dem eine mehrphasige Stabwicklung eingelegt ist. Diese Stabwicklung ist dabei so aufgebaut, daß sie bei Anlegen einer mehrphasigen sinusförmigen elektrischen Spannung einen elektrischen Strom führt, welcher ein magnetischen Wanderfeld in Form einer auf der Induktoroberfläche in Längsrichtung fortschreitenden, angenähert sinusförmigen Welle ausbildet. Als Wicklungsmaterial dienen vorzugsweise unmittelbar wassergekühlte Kupferrohre, die in die Nuten des Blechpaketes eingelegt und an dessen Rand in geeigneter Weise elektrisch miteinander verbunden sind. Die Gesamtheit aller dieser Randverbindungen bildet den sogenannten Wickelkopf.

Es hat sich auf Grund elektrischer und konstruktiver Überlegungen als günstig herausgestellt, jeweils zwei der rohrförmigen Leiter in einer Nut übereinander anzuordnen und eine Vielzahl dieser Leiter einer Phase elektrisch in Reihe zu schalten. Derartige Wicklungen sind im Elektromaschinenbau als sogenannte Zweischicht-Stabwicklungon bekannt. Der Aufbau solcher mehrphasigen Wicklungen erfolgt nach bekannten

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Regeln des Elektromaschinenbaues: zunächst wird die gesamte Statorlänge in eine ganze Zahl von gleich großen Polen unterteilt, von denen wiederum jeder eine ganze,durch die Phasenzahl teilbare Zahl gleich großer äquidistanter Nuten enthält. Innerhalb eines jeden Poles beansprucht jede Phase einen gleich großen Wickelraum, der in Nuten pro Pol und Phase angegeben und nach der Bewicklung von einer entsprechenden Leitergruppe besetzt wird. Dabei müssen die Leitergruppen der verschiedenen Phasen einander beim Fortschreiten auf der Statoroberfläche quer zu den Nuten regelmäßig abfc wechseln. Die Durchflutungs richtung muß sich von Leitergruppe zu Leitergruppe umkehren, wenn einmal angenommen würde, daß jede Phase gleichsinnig mit Gleichstrom eingespeist wird.

Als Ausführungsformen der mehrphasigen Zweischicht-Stab-Wicklungen unterscheidet man im Elektromaschinenbau Schleifen- und Wellenwicklungen. Die Schleifenwicklung besteht dabei aus einzelnen Flachspulen, deren Windungszahl gleich der Anzahl der Nuten pro Pol und Phase der mehrphasigen Wicklung ist. Jede Windung einer Flachspule setzt sich aus zwei parallelen Stäben mit dem Abstand einer Polteilung und zwei zugehörigen Verbindungsstücken zusammen. Mehrere Windungen zusammen bil-' den dann gemeinsam eine Spule mit zwei parallelen Seiten und den entsprechenden Verbindungsstücken. Die innen frei bleibende Spulenöffnung ist so breit, daß noch je eine Spulenseite der übrigen Phasen dazwischen gelegt werden kann. Die parallelen Seiten jeder Spule werden so in die Nuten des Blechpaketes eingelegt, daß die eine Spulenseite einen Teil der oberen und die andere einen Teil der unteren Leiterschicht in den Nuten des Blechpaketes bildet. Dabei erfolgt der Übergang von dor oberen zur unteren Leiterschicht durch die Verbindungsstücke im Wickelkopf. Anfang und Ende jeder Spule werden als Anschlüsse oder Schaltverbindungen aus dom Wickelkopf heraus—

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geführt. Bei der Montage des Stators werden alle Spulen nacheinander phasenweise wechselnd so in die Nuten des Blechpaketes eingelegt, daß jeweils die Oberschicht einer Spule die Unterschicht der zuletzt eingelegten Spule der gleichen Phase bildet. Danach werden sie entsprechend der oben formulierten Vorschrift phasenweise in Reihe oder parallel geschaltet.

Bei der Wellenwicklung wird ein fortlaufender Wicklungszug dadurch erreicht, daß jeweils ein Leiter der Nut eines Poles mit einem Leiter der entsprechenden Nut des nächsten Poles verbunden wird. Er weist infolge dessen rein äußerlich die Form einer schematischen Welle auf.

Diese Welle kann den kreisrunden Stator mehrfach gleichsinnig durchlaufen, kehrt dann über eine Schaltverbindung um und durchläuft rückwärts alle schon beim Vorlaufen teilbesetzten Nuten. Auch bei der Zweischicht-Stab-Wellenwicklung wechseln die miteinander verbundenen Leiter in den Nuten von Pol zu Pol aus der unteren in die obere Leiterschicht und umgekehrt. Die Wiekelkopfverbindungen der einzelnen Leiter können sowohl bei der Schleifen- als auch bei der Wellenwicklung in eine, zwei oder drei Ebenen gelegt werden. Meistens führt man den Wickelkopf aber in einer Ebene aus, wobei jede Einzelverbindung einmal mittels einer Verkröpfung oder Verbindung von der oberen in die untere Schicht geführt werden muß.

Die aus dem Elektromaschinenbau bekannte Zweischicht-Stab-Schleifenwicklung kann ohne Schwirigkeiten vom kreisrunden Stator auf einen linearen Wanderfeldinduktor übertragen werden. Dabei bleibt aber jeweils der letzte Pol an den Induktorenden nur halb, d. h., mit einem Leiter pro Nut, bewickelt. Diese Eigenart der Wicklung ist jedoch sehr erwünscht, da sich auf solche Weise ein allmählicher Auf- bzw. Abbau des von der stromdurchflossenen mehrphasigen Wicklung erzeugten magnetischen Wanderfeldes zum Induktorende hin erreichen

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Die Fig. 1 und 2 der Zeichnung erläutern den Aufbau einer Zweischicht-Stab-Schleifenwicklung mit einem Wickelkopf in einer Ebene für einen linearen Wanderfeldinduktor an Hand einer schematisch, gezeichneten Draufsicht auf die—sen Induktor. Dabei sollen die mit unterbrochenen Linien dargestellten Leiter in der unteren und die mit durchgezogenen Linien dargestellten Leiter in der oberen Leiterschicht liegen.

Fig. 1 zeigt den Verlauf der Wicklung einer Phase einer dreiphasigen Wicklungsausführung. Dabei ist mit 1 das ebene, quergenutete und lameliierte Blechpaket bezeichnet, wobei die Nuten nicht besonders dargestellt und nur an einer Stelle durch Mittellinien 2 angedeutet sind. Innerhalb eines jeden Poles steht ein Wickelraum von zwei Nuten zur Verfügung, der von je einer Leitergruppe k besetzt wird. Die aus je zwei halben Leitergruppen und den entsprechenden Wickelkopfverbindungen bestehenden flachen Einzelspulen 5 sind über Schaltverbindungen 6 elektrisch in Reihe geschaltet. Der Anschluß am Anfang der Wicklung ist mit U und der am Ende mit χ bezeichnet. Die Wickelkopfverbindungen der Einzelspulen 5 gehen an ihren Spitzen 7 von der oberen in die untere Leiterschicht über. Die Leitergruppen 10 und 11 in den äußeren Polen 8 und 9 an den Induktorenden sind mit jeweils nur einem Leiter pro Nut ausgeführt.

Fig. 2 zeigt den gleichen Induktor wie Fig. 1, jedoch vollständig mit allen drei Phasen bewickelt. Die Anschlüsse an den Anfängen der drei Wicklungszüge sind mit U, V und W bezeichnet, ihre Enden mit x, y und z.

Die Zweischicht-Stab-Schleifenwicklung kann zwar leicht montiert, angezapft und verschaltet werden, ist z. B. aber als Wicklung für einen Wanderfeldinduktor, der als Rührspule für

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Metallschmelzen dienen soll, nur bedingt geeignet, da die große Anzahl von Schaltverbindungen elektrische Verluste und einen erhöhten Blindleistungsaufwand verursacht. Darüberhinaus sind die Schaltverbindungen konstruktiv aufwendig und nur schwer unterzubringen.

Aus diesem Grunde wäre es günstiger, für solche Wanderfeldinduktoren eine Zweischicht-Stab-Wellenwicklung einzusetzen, weil dabei die komplizierte Verschaltung entfallen würde. Diese Wicklung ist jedoch nicht ohne weiteres vom kreisrunden Stator einer elektrischen Maschine auf einen linearen Wanderfeldinduktor zu übertragen, da dabei der gesamte Wicklungszug in eine Anzahl von Einzelwellen zerfallen würde.

Zweck der Erfindung ist es, die Zweischicht-Stab-Wellenwicklung mit einem Wickelkopf in einer Ebene für den linearen Wanderfeldinduktor geeignet zu machen. Dabei soll jeweils der äußere Pol an den Induktorenden in an sich bekannter Weise nur noch halb, d.h., mit einem Leiter pro Nut bewickelt sein.

Die mehrphasige Zweischicht-Stab-Wellenwicklung gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß pro Phase mindestens ein Wicklungszug vorgesehen ist, der jeweils am gleichen Ende des Induktors beginnt, diesen wellenförmig vorwärts fortschreitend zum anderen Induktorende hin durchläuft, in jedem Pol je eine der betreffenden Phase zugeordnete Nut von Pol zu Pol abwechselnd in der Ober- bzw. Unterschicht besetzt, im letzten Pol am Induktorende von einer Schicht in die andere überwechselnd schleifenförmig umkehrt und dann rückwärts fortschreitend in einem quasi-spiegelbildlich zum vorwärtslaufenden Wicklungsteil ausgebildeten Teil zum Ausgangsende des Induktors zurückkehrt, derart, daß jede Nut einen Stab des vorwärts fortschreitenden und einen des rückwärts fortschreitenden Teiles des Wicklungszuges aufnimmt.

Hat eine Wicklung mehrere Nuten pro Pol und Phase, wird eine

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der Nutenzahl pro Pol und Phase entsprechende Anzahl solcher Wicklungszüge über Umkehrschleifen im Anfangsrandpol elektrisch miteinander verknüpft. Dabei geht der Wicklungsztg in der Umkehrschleife zusätzlich von der unteren in die obere Leiterschicht über.

Die Fig. 3 und k erläutern den erfindungsgemäßen Aufbau einer Zweischicht-Stab-Wellenwicklung mit einem Wickelkopf in einer Ebene für einen linearen Wanderfeldinduktor an Hand einer schematisch gezeichneten Draufsicht auf den Induktor. Dabei sollen die mit unterbrochenen Linen dargestellten Leiter in der unteren und die mit durchgezogenen Liniendargestellten Leiter in der oberen Leiterschicht liegen.

Fig. 3 zeigt den Verlauf der Wicklung einer Phase einer dreiphasigen Wicklungsausführung. Dabei ist mit 1 das ebene, quergenutete und lamellierte Blechpaket bezeichnet, wobei die Nuten nicht besonders dargestellt und nur an einer Stelle durch Mittellinien 2 angedeutet sind.

Die gesamte Länge des Blechpaketes 1 ist durch die strichpunktierten Linien 3 in sieben gleiche Pole aufgeteilt. Pro Phase steht innerhalb jedes Poles ein Wickelraum von zwei Nuten zur Verfügung, der von jeweils einer Leitergruppe h besetzt wird. Der Wicklungszug beginnt am linken Induktorrand im ersten Pol 7 des Blechpaketes 1 mit dom Anschluß U des Wicklungsanfanges und verbindet nacheinander je einen Leiter in entsprechenden Nuten der einzelnen Pole. Dabei wechselt er an den Spitzen der Wickelkopfverbindungen 5 aus der oberen in die untere Leiterschicht und durchzieht das Blechpaket 1 in Form einer Welle. Innerhalb dos letzten Polos 6 am Statorende kehrt der Wlcklungsztxg in Form einer Schleife 8 um, wobei er an der Stelle 12 zusätzlich von der unteren in die obere Leiterschicht umwechselt. Danach kehrt er als praktisch spiegelbildlich zum vorwärts fortschreitenden Wicklungsteil ausgebildeten Teil des

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Wicklungszuges zum ersten Pol 7 am Induktoranfang zurück und füllt dabei die vom vorwärts fortschreitenden Teil des Wicklungszuges nur zur Hälfte besetzten Nuten auf. Das Wicklungsende 9 des so gebildeten ersten Wicklungszuges geht über die Umkehrschleife 10 in einen zweiten Wicklungszug über, welcher genau wie der erste aufgebaut ist. Der Anschluß χ am Ende dieses zweiten Wicklungszuges ist aus dem Wickelkopf herausgeführt. Die Randpole 6 und 7 des Blechpaketes 1 sind jeweils nur mit einem Leiter pro Nut besetzt.

Pig. k zeigt den gleichen Induktor wie Fig. 3» jedoch vollständig mit allen drei Phasen bewickelt. Die Anfänge der drei Wicklungszüge sind mit U, V und W bezeichnet, ihre Enden mit x, y und z.

Wie aus einem Vergleich der Fig. 2 und k ersichtlich, ergibt sich auf diese Weise eine Wicklung für einen linearen Wanderfeldinduktor, die keine Schaltverbindungen aufweist und in Folge dessen einen äußerst einfachen Aufbau zeigt. Die bisher durch die Schaltverbindungen bedingten elektrischen Verluste sind vermieden und ein konstruktiv einfacher und raumsparender Aufbau ist erzie-lt.

Häufig ist es , z. B. bei der Verwendung von Wanderfeldinduktoren als Rührpsulen für Metallschmelzen aus konstruktiven Gründen erwünscht, die Phasenanschlüsse der Induktorwicklung vom Ende des Blechpaketes weg mehr zur Mitte hin zu verlegen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind erfindungsgemäß bei einer Wicklung mit mehreren Nuten pro Pol und Phase eine der Nutenzahl pro Pol und Phase entsprechende Anzahl von Wicklungszügen über Schaltverbindungen derart am Induktor untereinander verknüpft, daß die Wicklung des Anfangsrandpoles nur in einer Leiterschicht liegt.

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Eine solche Wicklung ist im Grunde wie die zuvor beschriebene Wicklung (Fig. 3 und k) aufgebaut, untei-scheidet sich von ihr jedoch dadurch, daß im Anfangspol nun kein Übergang mehr von der einen zur anderen Leiterschicht erfolgt. Dies wird dadurch ermöglicht, daß der Übergang von einem Wicklungszug zum nächsten nicht mehr über eine Umkehrschleife, sondern über eine Schaltverbindung erfolgt, die außerhalb des Wickelkopfes liegt.

Die Fig. 5 und 6 zeigen den Aufbau einer solchen Einzelwicklung an Hand einer schematischen Draufsicht auf den Induktor. Dabei sollen die mit unterbrochenen Linien dargestellten Leiter in der unteren und die mit durchgezogenen Linien dargestellten Leiter in der oberen Leiterschicht liegen.

Fig. 5 zeigt den Verlauf der Wicklung einer Phase einer dreiphasigen Wicklungsausführung. Dabei ist mit 1 das ebene,quergenutete und lameliierte Blechpaket bezeichnet, wobei die Nuten nicht besonders dargestellt und nur an einer Stelle durch Mittellinien 2 angedeutet sind. Die gesamte Länge des Blechpaketes 1 ist durch die strichpunktierten Linien 3 in sieben gleiche Pole aufgeteilt. Pro Phase steht innerhalb jedes Poles ein Wickelraum von 2 Nuten zur Verfügung, der von jeweils einer Leitergruppe k besetzt wird. Der Wicklungszug beginnt am linken Induktorrand im ersten Pol 7 des Blechpaketes 1 mit dem Anschluß U des Wicklungsanfanges und verbindet nacheinander je einen Leiter in entsprechenden Nuten der einzelnen Pole. Dabei wechselt er an den Spitzen der Wickelkopfverbindungen 5 aus der oberen in die untere Leiterschicht und durchzieht das Blechpaket 1 in Form einer Welle. Innerhalb des letzten Poles am Induktorende kehrt der Wicklungszug in Form einer Schleife um, wobei er innerhalb der Nut 12 aus der unteren in die obere Leiterschicht umwechselt. Danach kehrt er als praktiseh. spiegelbildlich zum vorwärts fortschreitenden Wicklungsteil ausgebildeter Teil des Wicklungszuges zum ersten Pol 7 am Indtalctoranfang zurück und füllt dabei die vom vorwärts fortschreitenden

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Teil des Wicltlungszuges nur zur Hälfte besetzten Nuten auf. Das Wicklungsende 9 des so gebildeten ersten Wicklungszuges wird über die Brücke 10 mit dem Wicklungsanfang 11 eines zweiten Wicklungszuges in Reihe geschaltet, welcher genau wie der erste aufgebaut ist. Der Anschluß χ ain Ende dieses zweiten Wicklungszuges ist aus dem Wickelkopf herausgeführt. Die Randpole 6 und 7 des Blechpaketes 1 sind jeweils nur mit einem Leiter pro Nut besetzt.

Fig. 6 zeigt den gleichen Induktor wie Fig. 5» jedoch vollständig mit allen drei Phasen bewickelt. Die Anfänge der drei Wicklungszüge sind mit U, V und W bezeichnet, ihre Enden mit x, y und z.

Die Kombination zweier solcher Einzelwicklungen Fig. 6 zu einer neuen Gesamtwicklung, deren Anschlüsse praktisch an einer beliebigen Stelle der Induktorlänge vorgesehen werden können, wird derart vorgenommen, daß die zwei Einzelwicklungen mit ihren spiegelbildlich zueinander ausgebildeten Anschlußseiten ineinander geschoben werden. Dabei werden diese beiden gleichartigen Einzelwicklungen in die Nuten eines gemeinsamen Blechpaketee eingelegt und der nur in der Oberschicht bewickelte Anfangsrandpol der einen Einzelwicklung wird mit dem nur in der Unterschicht bewickelten Anfangsrandpol der anderen Einzelwicklung zur Bildung einer in den Nuten des Blechpaketes gleichmäßig verteilten Gesamtwicklung verschachtelt. Durch das Zusammenfallen je eines Poles der beiden Einzelwicklungen wird die Zahl der Pole der Gesamtwicklung um eins niedriger als die Summe der Polzahlen der beiden Einzelwicklungen. Durch Verbinden der Wicklungsenden der einen Einzelwicklung mit den entsprechenden Wicklungsanfängen der zweiten Einzelwicklung entsteht die elektrische Verknüpfung zur neuen mehrphasigen Geeamtwlcklung, wobei die Anschlüsse dieser Gesamtwicklung an einer praktisch beliebigen Stelle der Gosamtwicklung vorgesehen werden können, sodaü konstruktiven und betriebstechnischen

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Die Zweischicht-Stab-Wellenwicklung führt unter anderem z. B. dazu, daß das für die Rührwirkung auf die Metallschmelze erforderliche magnetische Feld mit einem Mindestmaß an elektrischer Energie erzeugt werden kann.

Fig. 7 zeigt schließlich als bevorzugtes Anwendungsbeispiel in schematischer Sehnittdarstellung ein Ofengefäß mit einem als Rührspule dienenden Wanderfeldinduktor, in dem eine Zweischicht-Stab-Wellenwicklung gemäß der Erfindung verwendet ist.

Das eigentliche Ofengefäß mit einer selbsttragenden feuerfesten Zustellung 131 die wie üblich von einer Ofenwand I^ umschlossen ist, ruht auf einem Ofengestell 15· Unter dem Boden der Zustellung 13 ist - im Gestell 15 montiert - der Wanderfeldinduktor (in der Figur im Querschnitt dargestellt) angeordnet ßiit seinem Blechpaket l6 und den Leitern 17, 18, die im Wickelkopf 19 zur Induktorwicklung verbunden sind. Um bei einem Durchbruch der feuerfesten Zustellung 13 eine Zerstörung der Induktorwickltuig durch das Austreten des flüssigen Metalls zn vermeiden, ist zwischen dem Boden der Zustellung und dem Induktor ein Trennblech 20 aus unmagnetischem Material angeordnet, welches seinerseits vom Induktor durch eine Schicht aus isoliertem Material getrennt ist.

Zur Rührung der im Ofengefäß befindlichen Metallschmelze 21 sei der Induktor z. B. so geschaltet, daß er ein senkrecht aus der Zeichnungsebene fortschreitendes elektromagnetisches Wanderfeld erzeugt. Im Bereich der Eindringtiefe dieses Wanderfeldes wird in der Metallschmelze 21 eine durch 22 angedeutete Strömung gleicher Richtung erzeugt, die in den übrigen Bereichen der Schmelze einen Rückfluß in etwa entgegengesetzter Richtung zur Folge hat. Durch die Wandwirkung der Ofenzustellung 13 begünstigt, werden dabei zusätzliche Strömungskomponenten hervorgerufen, derart, daß insgesamt eine sehr wirkungsvolle Rührung der Metallschmelze 21 erreicht wird.

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Claims (2)

JA Patentansprüche

1. Mehrphasige Zweischicht-Stab-Wellenwicklung mit einem Wickelkopf in einer Ebene für einen, insbesondere ale Rührspule für Metallschmelzen geeigneten Wanderfeldinduktor mit halb bewickelten Randpolen, d adur ch ge kennz e iohne t,

daß pro Phase mindestens ein Wicklungszug vorgesehen ist, der jeweils am gleichen Ende des Induktors beginnt, diesen wellenförmig vorwärts·fortschreitend zum anderen Induktorende hin durchläuft, in jedem Pol je eine der betreffenden Phase zugeordnete Nut von Pol zu Pol abwechselnd in der Ober- bzw. Unterschicht besetzt, im letzten Pol am Induktorende von einer Schicht in die andere überwechselnd schleifenförmig umkehrt und dann rückwärts fortschreitend in einem quasi-spiegelbildlich zum vorwärtslaufenden Wicklungsteil ausgebildeten Teil zum Ausgangsende des Induktors zurückkehrt, derart, daß jede Nut einen Stab des vorwärts fortschreitenden und einen des rückwärts fortschreitenden Teiles des Wicklungszuges aufnimmt.

2. Mehrphasige Zweischicht-Stab-Wellenwicklung nach Anspruch

dadurch gekennzeichnet,

daß bei einer Wicklung mit mehreren Nuten pro Pol und Phase eine der Nutenzahl pro Pol und Phase entsprechende Anzahl solcher Wicklungszüge über Umkehrschleifen im Anfangsrandpol elektrisch miteinander verknüpft werden, wobei der Wicklungszug in der Umkehrschleife zusätzlich von der unteren in die obere Leiterschicht übergeht.

3* Mehrphasige Zweischicht-Stab-Wellenwicklung nach Anspruch

dadurch gekennzeichnet,

daß alle Stäbe des ersten Poles jeweils über ihre ganze Länge in der gleichen Wicklungsschicht angeordnet sind und

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und daß die an diesem Pol beginnenden, zur gleichen Phase gehörenden Wicklungszüge außerhalb des eigentlichen Wicklungskopfes elektrisch miteinander verbunden sind.

Mehrphasige Zweischicht-Stab-Wellenwicklung nach dem Anspruch 3»

dadurch gekennzeichnet,

daß zwei gleichartige Einzelwicklungen in die Nuten eines gemeinsamen Blechpaketes des Induktors eingelegt sind, wobei der nur in der Oberschicht bewickelte Anfangsrandpol der einen Einzelwicklung mit dem nur in der Unterschicht bewickelten Anfangsrandpol der anderen Einzelwicklung zur Bildung einer in den Nuten des Induktors gleichmäßig verteilten Gesamtwicklung verschachtelt ist und die Wicklungsenden der einen Einzelwicklung mit den Wicklungsanfangen der anderen Einzelwicklung elektrisch verbunden sind.

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