DE19754943A1

DE19754943A1 - Wicklung für eine elektrische Maschine

Info

Publication number: DE19754943A1
Application number: DE1997154943
Authority: DE
Inventors: Johann Haldemann
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG; ABB AB
Priority date: 1997-12-11
Filing date: 1997-12-11
Publication date: 1999-06-17

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektrischen Maschinen. Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Wicklung für eine elektrische Ma schine nach dem Oberbegriff des Patentanspruch 1.

Wicklungen genannter Art sind beispielsweise bekannt aus dem Lehrbuch "Herstellung der Wicklungen elektrischer Maschinen", von H.Sequenz, er schienen im Springer Verlag, Wien, New York, 1973.

STAND DER TECHNIK

Bei schnellaufenden Synchronmaschinen großer Leistung sind die Ankernu ten häufig sehr breit. Würden für die zugehörige Ständerwicklung herkömmli che Roebelstäbe verwendet, so führte dies zu Teilleiterbreiten, die Anlaß zu hohen Wirbelstromverlusten durch Radialfelder geben und auch die Fertigung erschweren. Um die Teilleiterbreite in angemessenen Grenzen zu halten, wer den solche Wicklungen vielfach aus Doppel-Roebelstäben aufgebaut. Diese Stäbe bestehen aus zwei jeweils in sich verdrillten Einzel-Roebelstäben, die nebeneinander liegen und von der gemeinsamen Hauptisolierung umfaßt sind. Gegenüber den Querfeldern von Nut und Wickelkopf ist dieser Doppel stab in gleichem Masse kompensiert wie ein Einfach-Roebelstab. Anders ver hält es sich mit den Radialfeldern. Wegen der in sich verdrillten Einzelstäbe wird zwar auch hier jeder ihrer Teilleiter vom gleichen Radialfeld der Nut durchsetzt. Ebenso kann das Radialfeld des Wickelkopfes durch besonderes Verdrillen der Einzelstäbe im Stirnraum und Nutbereich teilweise bis voll ständig kompensiert werden. Aber selbst bei vollständigem Ausgleich der Ra dialfelder in den Einzelstäben induzieren diese Felder im Doppelstabgebilde eine elektromotorische Kraft. Diese eingeprägte Spannung hat ohne besondere Gegenmaßnahmen einen Schlingstrom mit entsprechenden Wicklungszusatz verlusten zur Folge.

Ist eine Wicklung aus Doppel-Roebelstäben aufgebaut, so bilden deren neben einander liegende Einzelstäbe je eine - im folgenden Doppelstabschleife ge nannte - Windung, die von den erwähnten radialen Feldern induziert wird. Je nach Weiterschaltung der Einzelstäbe innerhalb einer Spulengruppe wird in der durch die einzelnen Doppelstabschleifen gebildeten erweiterten Schleife eine mehr oder weniger große resultierende Schlingspannung induziert. Wer den die Einzelstäbe an Stellen unterschiedlichen Potentials galvanisch über brückt, so tritt ein dieser Schlingspannung entsprechender Schlingstrom auf. Der einfachste Ausführungsfall - mit allerdings höchsten Zusatzverlusten zeigt Abb. 29 auf Seite 78 in "Herstellung der Wicklungen elektrischer Ma schinen", von H.Sequenz, erschienen im Springer Verlag, Wien, New York, 1973.

Eine gegenüber dieser Ausführungsform erheblich verbesserte Variante des Doppel-Roebelstabes zeigt Abb. 31 auf Seite 79 a.a.O. Hier werden die Einzel stäbe gekreuzt weitergeschaltet. Der Nachteil dieser Lösung liegt im kon struktiven Aufwand: Anstelle von einer Öse sind deren zwei - wie Abb. 29, Seite 79, a.a.O. erhellt - vorhanden. Es müssen somit praktisch doppelt so viele Verlötungen bewerkstelligt werden. Bei direkter Wasserkühlung sind ebenso Anzahl Wasserkammern und Schlauchverbindungen etwa zu verdop peln. Charakteristisch für die oben gezeigten Doppel-Roebelstäbe ist, daß sie aus nebeneinander angeordneten und speziell verschalteten Einzel-Roebelstä ben aufgebaut sind, wobei die erstgenannte Variante hinsichtlich einer Kom pensation unbefriedigend ist und die zweite Variante hinsichtlich ihres Kon struktionsaufwandes.

Eine weitere Gattung von Doppel-Roebelstäben zeigen die Abb. 32 und 33 auf Seite 80, a.a.O. Hier sind alle vier Teilleiterstapel eines Doppel-Roebel stabes zwecks optimaler Kompensation von Radial- und Querfeldern mitein ander verzopft oder verdrillt. Die Herstellung eines derartig aufwendig über alle Stapelebenen verdrillten Doppel-Roebelstabes ist vergleichsweise zeit- und kostenintensiv und damit hinsichtlich Wirtschaftlichkeit von geringerem Interesse.

Ein weiterer Doppel-Roebelstab-Typ ist bekannt unter dem Namen Wechsel stab oder Parallelstab. Hierbei werden Teilleiterpaare, bestehend aus neben einanderliegenden Teilleitern, parallel geführt als seien sie ein einzelner Teil leiter eines konventionellen Einzel-Roebelstabes. Derartige Parallelstäbe sind hinsichtlich ihrer Fertigung einfach handhabbar, zeigen aber in Bezug auf die durch Radialfelder erzeugten Verluste eine nicht optimale Kompensation.

Bisher wurden die Radial- und Querfelder einer allgemeinen Betrachtung un terzogen. Eine Kompensation dieser Felder kann allerdings mittels Verdril lung nur gegenüber den fremdgenerierten Radial- und Querfelder - also ge genüber Fremdradial- und Fremdquerfeld - erfolgen. Mit dem Fremdradial- und Fremdquerfeld sind die Felder umfaßt, die nicht vom stormdurchflos senen Leiterstab selbst erzeugt werden.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden, das heißt, einen Doppel-Roebelstab so auszubilden, daß er einfach herstellbar ist, und eine vollständige Kompensation aller durch Fremdradial- und Fremdquer felder erzeugten Verluste ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des ersten An spruchs gelöst.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, daß durch das paarweise Verdrillen von benachbarten Teilleiter, welches Verdrillen parallel und/oder gekreuzt über die Länge des Leiters erfolgt, ein Leiterstab mit vier nebeneinander liegenden Teilleiterstapeln geschaffen wird, der wie ein Ein fach-Roebelstab herstellbar ist und dabei im Betrieb eine vollständige Kom pensation der magnetischen Fremdquer- und Fremdradialfelder ermöglicht.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht eine über die Länge des Leiters aus geführte 540°-Verdrillung vor, bei der lediglich der zum Einlegen in eine Nut im Stator bestimmte Teil der Wicklung verdrillt ist. Dieser in einer Nut im Stator eingelegte Teil der Wicklung ist vorteilhafterweise im Hinblick auf die Verdrillung in drei Leiterabschnitte unterteilt, wobei der mittlere Lei terabschnitt eine 180°-Verdrillung der paarweise geführten Teilleiter mit ge kreuzt gekröpften Teilleitern zeigt, wohingegen die beiden den mittleren Lei terabschnitt begrenzenden Leiterabschnitte je eine 180°-Verdrillung mit parallel gekröpften Teilleitern aufweist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vereinfacht dar gestellt, und zwar zeigt die

Fig. 1 eine Längs-Seitenansicht eines elektrischen Leiters mit vier nebenein ander liegenden, erfindungsgemäß verdrillten Teilleiterstapeln;

Fig. 2 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leiter.

Es sind nur die für die Erfindung wesentlichen Teile dargestellt und bezeich net.

WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1 zeigt einen Leiter 5 für die in einem hier nicht dargestellten Stator ange ordnete Wicklung einer elektrischen Maschine. In vier nebeneinander liegen den Stapeln 1-4 sind Teilleiter 11-42 angeordnet. Ein derartiger Leiter 5 ist bekannt unter dem Begriff Doppel-Roebelstab, der im Gegensatz zu einem aus typischerweise zwei Stapel aufgebauten Einfach-Roebelstab vier Stapel 1-4 umfaßt.

Wesentlich bei der hier dargestellten Ausführungsform eines Doppel-Roebel stabes ist die parallele Führung zweier benachbarter Teilleiter über die ge samte Länge des Leiters 5. Als Paare geführt und als solche verdrillt sind die jeweils benachbarten Teilleiter 11 und 12, die Teilleiter 21 und 22, die Teillei ter 31 und 32 und die Teilleiter 41 und 42. Paarweise sind sie immer - mit Ausnahme an Kröpfstellen - in den Stapeln 1 und 2 oder 3 und 4 gelegen. Dies zeigt sich in den Ebenen A, B und C. Die hier dargestellten Teilleiterpaare in den Stapeln 1 und 2 oder 3 und 4 sind über die gesamte Länge des Leiters 5 als unmittelbar benachbarte Teilleiter nebeneinander geführt.

Zwischen den Ebenen A und B ist eine parallel Kröpfung der Teilleiter 11 und 12 gezeigt, wobei der außenliegende Teilleiter 11 von Stapel 1 zu dem innen liegenden Stapel 3 gekröpft ist, und der innenliegende Teilleiter 12 von Stapel 2 zu dem außenliegenden Stapel 4 gekröpft ist. Zwischen den Ebenen B und C sind die Teilleiter 21 und 22 entsprechend dem Erfindungsgedanken gekreuzt gekröpft, wobei der innenliegende Teilleiter 22 vom Stapel 2 auf den ebenfalls innenliegenden Stapel 3 gekröpft ist, und der außenliegende Teilleiter 21 kreuzt vom Stapel 1 den zum Teilleiterpaar gehörenden Teilleiter 22 zum Sta pel 4.

Die besonderen Vorteile von Leitern mit derart gekröpften Teilleitern lassen sich wie folgt zusammenfassen:

- Ein erfindungsgemäß ausgeführter Doppel-Roebelstab kann auf weitge hend gleiche Art hergestellt werden wie ein Einfach-Roebelstab mit zwei Teilleiterstapeln. Für einen verdrillten Leiterstab ist die Herstellung ei nes Einfach-Roebelstabes deswegen so einfach, weil die einzelnen Teillei terstapel separat zusammengesetzt werden können und anschließend zu einem Leiter zusammengelegt werden. In gleicher Weise ist der erfin dungsgemäße Doppel-Roebelstab hergestellt unter der Voraussetzung, daß je zwei Teilleiter über die gesamte Länge eines Leiters paarweise parallel benachbart geführt werden. So ist ein Teilleiterpaar im gezeigten Doppel-Roebelstab gleichermaßen zu behandeln wie ein einzelner Teil leiter in einem Einfach-Roebelstab.
- Des weiteren zeigt der erfindungsgemäße Doppel-Roebelstab im Ver gleich zum Bekannten nicht nur eine vollständige Kompensation gegen über dem im Betrieb einer elektrischen Maschine auftretenden Fremdquerfeld, sondern zudem ist der neue Leiter auch hinsichtlich dem Fremdradialfeld in der Maschine optimal kompensiert.

Der neue Stab zeigt somit erstmals eine Ausführungsform eines Doppel- Roebelstabes der in sich den Zielkonflikt einer besonders einfachen und damit preiswerten Herstellung mit einer optimalen Kompensation gegenüber dem Querfeld und dem Radialfeld in einer elektrischen Maschine löst.

In Fig. 2 ist eine bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung dargestellt. Um einer guten Übersichtlichkeit Rechnung zu tragen, sind im Gegensatz zu Fig. 1 einzelne Teilleiter 11-42 nur noch als Einfachlinie gezeichnet; die Be zeichnungen bleiben von diese Darstellungsänderung unberührt, so daß glei che Bezugszeichen in Fig. 1 und Fig. 2 auch Gleiches bezeichnen.

Zwischen den Ebenen A' und D ist der Teil eines Leiters 5 gezeigt, der in einer nicht dargestellten Nut eines Stators eingelegt und bekanntermaßen 540° verdrillt ist. Eine derart bekannte 540°-Verdrillung in der Nut erübrigt eine zusätzliche Verdrillung außerhalb der Ebenen A' und D. Zwischen A' und D ist die 540°-Verdrillung in drei Leiterabschnitten mit je 180°-Verdrillung ausgeführt. Damit nimmt der mittlere Leiterabschnitt zwischen B und C' die halbe Nutlänge in Anspruch, und die beiden angrenzenden Leiterabschnitte zwischen A' und B und zwischen C' und D jeweils ein Viertel der Nutlänge. Beispielhaft zeigt jeder Leiterabschnitt fünf Kröpfstellen von einem Stapel zu einem weiteren, womit unter der Voraussetzung der 180°-Verdrillung in je dem Stapel fünf Teilleiter übereinander angeordnet sind.

Besonders gute Kompensationseigenschaften hinsichtlich des Quer- und Ra dialfeldes in elektrischen Maschinen zeigt der Leiter 5, wenn die paarweise geführten Teilleiter 11-42 über alle drei Leiterabschnitte A' bis D erfin dungsgemäß gekreuzt gekröpft sind, was allerdings nur bei genügend großen Längenabmessungen des Stabes möglich ist.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigt Ausführungsbeispiel beschränkt. So ist ebenfalls jeder andere Verdrillungswinkel über die Ge samtlänge unter Einschluß der nicht in der Nut eingelegten Endabschnitte eines Leiters 5 denkbar unabhängig von der Anzahl Teilleiter pro Stapel. Auch eine Ausführungsform mit sechs nebeneinander liegenden Stapeln ist denkbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Im Fall kurzer Maschinen längen mit dementsprechend kurzen Leiterabschnitten ist auch denkbar, zwei übereinander liegende Teilleiterpaare sowohl parallel, als auch gekreuzt zu kröpfen, um auf kurzen Längen gewünschte Verdrillungswinkel zu erreichen.

Selbstverständlich können ebenfalls kühlmitteldurchströmende Kühlkanäle im Leiter 5 eingebunden sein, die entsprechend mit den Teilleitern verdrillt sind.

Bezugszeichenliste

1-4

Stapel

5

Leiter

11

,

12

Teilleiter

21

,

22

Teilleiter

31

,

32

Teilleiter

41

,

42

Teilleiter
A, B, C Stapelebene
A', C' Stapelebene

Claims

1. Wicklung für den Stator einer elektrischen Maschine, umfassend einen elektrischen Leiter (5), der den zum Einlegen in eine Nut im Stator be stimmten Teil der Wicklung mit seinen Endabschnitten bildet, wobei der Leiter aus einer in vier nebeneinander liegenden Stapeln (1, 2, 3, 4) ange ordneten Mehrzahl von Teilleitern (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42) gebildet wird, welche Stapel (1, 2, 3, 4) die gleiche Anzahl von Teilleitern (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42) aufweisen, die über die Länge des Leiters (5) mit einander verdrillt sind, wobei jeweils zwei nebeneinander liegende Teil leiter (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42), je ein außenliegender und sein be nachbarter innenliegender Teilleiter, paarweise verdrillt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die paarweise geführten Teilleiter (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42) an einer oder mehreren Stellen über die Länge des Leiters (5) miteinander parallel gekröpft sind, so daß der zuvor innenliegende Teilleiter hinter der Kröpfstelle außen liegt und der zuvor außenliegende Teilleiter hin ter der Kröpfstelle innen liegt, und/oder daß die paarweise geführten Teilleiter (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42) an einer oder mehreren Stellen über die Länge des Leiters (5) gekreuzt gekröpft sind, so daß der zuvor innenliegende Teilleiter hinter der Kröpfstelle ebenfalls innen liegt und der zuvor außenliegende Teilleiter hinter der Kröpfstelle ebenfalls außen liegt.

2. Wicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (5) nur in dem zum Einlegen in eine Nut im Stator bestimmten Teil der Wicklung verdrillt ist.

3. Wicklung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (5) in dem zum Einlegen in eine Nut im Stator bestimmten Teil der Wicklung 540° verdrillt ist.

4. Wicklung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (5) drei Leiterabschnitte auf weist, wobei der mittlere der drei Leiterabschnitte eine Teilleiterverdril lung mit gekreuzt gekröpften parallel geführten Teilleitern aufweist.

5. Wicklung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden den mittleren Leiterabschnitt begrenzenden Leiterabschnitte je eine Teilleiterverdrillung mit parallel gekröpften parallel geführten Teilleitern aufweisen.