DE2811249A1

DE2811249A1 - Mehrebenen-leiterstab fuer elektrische maschinen, insbesondere fuer turbogeneratoren

Info

Publication number: DE2811249A1
Application number: DE19782811249
Authority: DE
Inventors: Peter Gruenewald; Peter Jung; Rudolf Von Musil
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-03-15
Filing date: 1978-03-15
Publication date: 1979-09-20
Also published as: GB2016820B; AT367932B; US4381467A; ATA187679A; DE2811249C2; CH652253A5; GB2016820A; JPS54129302A; FR2420239B1; FR2420239A1

Description

KEAPTWEBK UNION AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Mülheim a. d. Ruhr VPA 78 P 94-52 BED

Mehrebenen-Leiterstab für elektrische Maschinen, insbesondere für Turbogeneratoren

Die Erfindung bezieht sich auf einen Mehrebenen-Leiterstab für elektrische Maschinen, insbesondere für Turbogeneratoren, wie er im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher definiert ist. Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung des genannten Mehrebenen-Leiterstabes wie auch die Verwendung eines solchen Leiterstabes für die Ständer- und/oder Luftspaltwicklung eines supraleitenden Turbogenerators.

Ein Mehrebenen-Leiterstab gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 ist durch die DE-AS 1 231 342 bekannt. Dabei handelt es sich um einen 4~Ebenen-Leiterstab, bei dem die Teilleiter der beiden inneren Ebenen über den Verdrillungsbereich in entgegengesetztem Verdrillungssinne die jeweils benachbarte äußere Ebene und anschließend die benachbarte innere Ebene durchlaufen, während die Teilleiter der beiden äußeren Ebenen jeweils die nicht benachbarte innere Ebene und anschließend die gegenüberliegende äußere Ebene durchlaufen. Ein solcher Stab muß

B. 2 Π / 20.02.W ,

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zur Erzielung der gewünschten Verdrillung geflochten werden, was einen relativ hohen Fertigungsaufwand "bedeutet. Durch die vorliegende Erfindung soll demgegenüber ein Mehrebenen-Leiterstab mit vier miteinander verdrillten Ebenen und darüber hinausgehend ein 6-, ein 8- usw., allgemein gesprochen ein n-Ebenen-Leiterstab Cn = 4·, 6, 8...,η - 2, η) geschaffen werden, zu dessen Herstellung eine Flechtarbeit nicht erforderlich ist, sondern bei dem durch Abkröpfen der einzelnen Teilleiter in einer Kröpfschablone und Zusammenfügen der gekröpften Teilleiter zu Teilleitersäulen und anschließendes Zusammenfügen der Teilleitersäulen der gesamte Mehrebenen-Leiterstab hergestellt werden kann. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung des erwähnten Mehrebenen-Leiterstabes anzugeben und dieses Verfahren so einfach zu gestalten, daß die Herstellung nicht nur von 4-Ebenen oder 6 Leiterstäben, sondern auch die Herstellung von Leiterstäben mit einer höheren Ebenenzahl relativ einfach nach einem vorgegebenen Schema ermöglicht ist.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe bei einem Mehrebenen-Leiterstab der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher gekennzeichneten Art dadurch gelöst, daß ausgehend von einem 2-Ebenen-Roebelstab als fiktiver größter gemeinschaftlicher Verdrillungseinheit ein 4-Ebenen-Leiterstab durch einfache Faltung um eine auf halber Stabhöhe des fiktiven Ausgangsstabes angeordnet gedachte FaItungsachse gebildet ist, daß ein 6-Ebenen-Leiterstab durch zweifache Faltung um jeweils eine auf 1/5 bzw. 2/3 der Stabhöhe des fiktiven Ausgangsstabes angeordnet gedachte Faltungsachse gebildet ist, usf., wobei allgemein die Bildung eines n-Ebenen-Stabes durch f =* % - 1 Faltungen des fiktiven Ausgangsstabes um jeweils eine der # - 1 FaltungSachsen erfolgt und die jeweilige Höhenlage der Faltungsachsen durch die Beziehung

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m . = m . ¹ (m » 1, 2, 3· ·>πι-1 »m) gegeben ist, worin h = Aus gangs-Stabhöhe bedeutet und η = 4·, 6, 8.., η - 2,η.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind vor allem darin zu sehen, daß trotz einer relativ komplizierten Verdrillung bei 4, 6, 8 usw. Ebenen der Mehrebenen-Leiterstab ohne die Ausführung fertigungsaufwendiger Flechtarbeiten herstellbar ist. Die Kröpfung der einzelnen Teilleiter sowie ihr Zusammenfügen zu den Teilleitersäulen der jeweiligen Ebene und schließlich zum gesamten Stab läßt sich relativ einfach durchführen. Demgemäß ist Gegenstand der Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines Mehrebenen-Leiterstabes der geschilderten Aufbauform mit e-Ebenen und t Teilleitern je Ebene, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß ausgehend von der Stabquerschnittsebene O (Stabanfang) die Leiter der jeweiligen Ebene jeweils in eine Kröpfschablone eingelegt und mit ihrer endgültigen Lage in fertig verdrillten Mehrebenen-Leiterstab entsprechenden Kröpfungen versehen werden, daß die abgekröpften Teilleiter der jeweiligen Ebene zu je einer Teilleiter-Säule übereinander geschichtet werden und daß schließlich die einzelnen Teilleiter-Säulen ineinander geschoben und zum kompletten Mehrebenen-Leiterstab miteinander verbunden werden. Hierbei kann die provisorische Verbindung der einzelnen Teilleiter-Säulen durch Umwickeln von Isolierband in regelmäßigen Abständen um den Mehreb.enen-Leiterstab sowie die endgültige durch an sich bekannte Imprägnierungs- und Ausback-Verfahren erfolgen.

Durch die UE-PS 478 873 ist es zwar bekannt, einen um 360° verdrillten Zwei-Ebenen-Roebelstab dadurch herzustellen, daß eine glatte (unverdrillte) Teilleiter-Ebene mit 2 η Teilleitern, wobei die Teilleiter entsprechend schräg verlaufen, dreimal gefaltet wird, wo-

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VPA 78 P 94-52 BED bei die Faltungsachsen bei 1/4-, 1/2 und 3/4- der Ausgangs-Mehrleiter-Höhe verlaufen. Hierbei handelt es sich, wie gesagt, um einen glatten Ausgangs-Stab, der erst durch das Falten verdrillt wird. Demgegenüber ist Ausgangsstab zur Herstellung des erfindungsgemäßen Mehrebenen-Leiterstabes ein 2-Ebenen-Roebelstab, d. h., ein Stab, der bereits verdrillt ist. Außerdem ist dieser Ausgangsstab ein fiktiver Stab, der lediglich zu Definitionszwecken herangezogen wird; in der Praxis braucht von einem solchen Stab nicht ausgegangen zu werden, da die einzelnen Teilleiter der jeweiligen Stabebene mittels einer Kröpfschablone abgekröpft und anschließend zur jeweiligen Teilleitersäule vereinigt werden.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß der Anzahl der Ebenen des erfindungsgemäßen Mehrebenen-Leiterstabes nach oben aus Fertigungsgründen keine Grenzen gesetzt sind. So können Leiterstäbe mit 10, 12, 14, 16 usw. Ebenen hergestellt werden, sofern entsprechend breite Einlegenuten für die aus den Leiterstäben herzustellende Wicklung gegeben sind und die fertigungstechnisch maximal mögliche Kröpfstellenzahl· pro Länge nicht überschritten wird. Jedoch ist durch die derzeitige Maschinengröße eine natürliche Grenze gesetzt, die im Bereich zwischen 10 und 20 Ebenen pro Leiterstab liegt. Der erfindungsgemäße Mehrebenen-Leiterstab ist deshalb in hervorragendem Maße für Maschinen mit großem Strombel·ag geeignet. Ein bevorzugter Anwendungsfall ist demgemäß die Ständer- und/oder Luftspaltwicklung von supraleitenden Turbogeneratoren. Insbesondere bei den Luftspaltwicklungen werden Leiter mit relativ großer Ebenen-Anzahl benötigt; so ist beim heutigen Stand der Technik eine Ebenenzahl von η = 12 bereits ein Konzept.

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Im folgenden wird anhand von vier in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen die Erfindung noch näher erläutert und die Wirkungsweise beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1a, b, c, d in vereinfachter Darstellung in einem Querschnitt einen 4-Ebenenstab, hergestellt durchFaltung eines (fiktiven) 2-Ebenen-Roebelstabes;

Pig. 2a und 2b in einer mehr der Praxis entsprechenden Darstellung zwei Verdrillungsphasen bei der Herstellung eines 4-Ebenenstabes aus einem (fiktiven) 2-Ebenen-Roebelstab, wobei Fig. 2a der Fig. 1b und die Fig. 2b der Fig. Id entsprechen und wobei anstelle von drei Teilleitern je Ebene der 4-Ebenenstab nunmehr 12 Teilleiter je Ebene enthält;

Fig. 2c, 2d, 2e und 2f die bei den einzelnen Teilleitern der ersten (Fig. 2c), der zweiten (Fig. 2d), der dritten (Fig. 2e) und der vierten Teilleiterebene (Fig. 2f) durchzuführenden Kröpfschritte bei einer Verdrillung um 360 ; d. h., die normalerweise senkrecht zur Papierebene orientierten Kröpfschritte der jeweiligen Teilleiterebene sind in die Papierebene hineingedreht;

Fig. 3a im Ausschnitt perspektivisch die Ansicht auf die Oberseite eines 4-Ebenen-Leiterstabes ; 30

Fig. Jb die Ansicht auf die Unterseite;

Fig. 4a im Aufriß schematisch den Verlauf eines Teilleiters in den verschiedenen Höhenlagen über die Leiterstab-Länge gesehen bei 180°/540°/i80°-Verdrillung, woraus ersichtlich ist, daß die vom Nutenquerfeld herrühenden Leiterspannungen voll ausgeglichen sind;

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VPA 78 P 9^52 BRD Fig. 4-b die zugehörige Draufsicht auf den 4-Ebenen-Leiterstab nach Fig. 4a, woraus die einzelnen Kröpfschritte eines Teilleiters und der Vollausgleich der vom radialen Stirnkopfstreufeld herrührenden Leiterspannungen ersichtlich sind;

Fig. 5a, 5t»» 5c und 5d einen 6-Ebenen-Leiterstab, hergestellt durch Faltung eines fiktiven 2-Ebenen-Roebelstabes in einer in den Fig. 1a bis 1d entsprechenden Darstellungsweise;

Fig. 6a und ob in einer mehr der Praxis entsprechenden Darstellung einen 6-Ebenen-Leiterstab (Fig. 6b), gewonnen durch zweifache Faltung eines fiktiven 2-Ebenen-Roebelstabes (Fig. 6a), wobei Fig. 6a der Fig. 5b und Fig. 6b der Fig. ^d entsprechen;

Fig. 6c, 6d, 6e, 6f, 6g und 6h die für die einzelnen Ebenen durchzuführenden Kröpfschritte der Teilleiter des 6-Ebenen-Leiterstabes entsprechend der Darstellung nach Fig. 2c bis 2f;

Fig. 7a und 7b im Ausschnitt perspektivisch die Ansicht auf die Oberseite bzw. die Unterseite eines 6-Ebenen-Leiterstabes nach Fig. 6a bis 6h;

Fig. 8a im Aufriß schematisch den Höhenverlauf einer Teilleiterschleife bei einem 2-Ebenen-Roebelstab bei 540°-Verdrillung. Dieser Stab dient als fiktiver Ausgangsstab zur Herstellung eines voll ausgeglichenen 6-Ebenen-Leiterstabes, der in

Fig. 8b und Fig. 8c für eine Leiterschleife im Aufriß bzw. im Grundriß dargestellt ist;

Fig. 9a, 9b, 9c und 9d einen 8-Ebenen-Leiterstab, herge-

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VPA 78 P 9^52 BRD stellt durch dreifache Faltung eines als fiktiver Ausgangsstab dienenden 2-Ebenen-Roebelstabes, und

Fig. 10a, 10b und 10c einen 10-Ebenen-Leiterstab, hergestellt durch vierfache Faltung eines als fiktiver Ausgangsstab dienenden 2-Ebenen-Roebelstabes in entspre- ■* chender Darstellungsweise zu Fig. 1a, 1b und 1d.

Fig. 1a bis 1d zeigen in vereinfachter, schematisierter Darstellung für ein z. B. an einem Stabende liegendes Querschnittsbild die wichtigsten Schritte bei der Herstellung eines 4-Ebenen-Stabes (Fig. 4d), ausgehend von einem 2-Ebenen-Roebelstab (Fig. 1a). Dieser Roebelstab hat zwei Teilleiter-Ebenen I und II, deren jede sechs radial übereinanderliegende Teilleiter 1 bis 6 und 7 bis 12 aufweist. Durch die Pfeile ist der Verdrillungsumlauf der einzelnen Teilleiter verdeutlicht, welche im dargestellten Falle die Ebene I von unten nach oben durchlaufen, dann zur Ebene II hinübergekröpft werden und die letztgenannte Ebene von oben nach unten bis zu einer Kröpfstelle k2 durchlaufen. Die obere Kröpfstelle ist mit k1 bezeichnet. Zieht man nun die obere Hälfte des als Ganzes mit r bezeichneten Ausgangsstabes in der Ebene ff der Faltungsachse von der unteren Hälfte des Ausgangs-Stabes r ab, so erhält man ein Querschnittsbild, welches in Fig. 1b angedeutet ist mit den zusätz- liehen, flexibel bzw. zumindest biegsam zu denkenden Kröpfstellen k3, k4. Das obere Roebelstab-Paket r1 wird nun gemäß Fig. 1b, 1c um die Faltungsachse f in Gegenzeigerrichtung gemäß Pfeil gz so gefaltet, daß zunächst die Zwischenstufe nach Fig. 1c entsteht und bei weiterer Faltung ein 4-Ebenen-Roebelstab nach Fig. 1d mit den 4-Teilleiterebenen el, e2, e3 und e4 und den Teilleiter-Kröpfstellen k1 bis k4. Es ist damit, wenn man die gesamte Stablänge betrachtet und unterstellt, daß der 2-Ebenen-Roebelstab r um 360° verdrillt war, ein 4-Ebenen-Leiterstab St IV entstanden, der gleichfalls um 360° verdrillt ist, d. h.

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bei einem 360°-Umlauf nimmt jeder der Teilleiter 1 bis 12 jede Höhen- und jede Seitenlage innerhalb der 4-Ebenen el bis e4 ein.

In der Praxis ist es nun nicht erforderlich, den 4-Ebenenstab St IV durch Faltung eines 2-Ebenen-Roebelstabes herzustellen - die anhand der Fig. 1a bis 1d geschilderte Prozedur diente lediglich dem besseren Verständnis -, vielmehr ist es möglich, die einzelnen Teilleiter der

jeweiligen Stabebene el bis e4 in einer Kröpfschablone so abzukröpfen, daß sie zu einer Teilleiter-Säule übereinandergeschichtet werden können. Die einzelnen Teilleiter-Säulen können dann anschließend zum kompletten
4-Ebenen-Leiterstab ineinandergeschoben und miteinander vereinigt werden. Für diese Vereinigung genügt es, wenn an mehreren über die Stablänge verteilten Stellen die
Teilleiter durch Umbandeln mittels tränkbaren Isolierbandes zusammengehalten werden derart, daß eine ausreichende mechanische Festigkeit dieses Mehrebenenstabes

erreicht wird, damit dieser dann, insbesondere maschinell, vollständig mit Isolierband umbandelt werden oder aber in einer Tränkanlage unter Vakuum mit Kunstharz
vollständig durchimprägniert und anschließend ausgehärtet werden kann.

Fig. 2a und 2b entsprechen den Herstellungsphasen nach Fig. 1b und 1d, jedoch mit dem Unterschied, daß hier
pro Ebene, wie es in der Praxis vorkommt, wesentlich
mehr Teilleiter, nämlich 12, vorgesehen sind und die

Teilleiter selbst wesentlich flacher als in der vereinfachten schematisierten Darstellung nach Fig. 1a bis
1d sind. Fig. 2c bis 2f zeigen die einzelnen Teilleiter-Säulen T1, T2, T3 und T4, jeweils bestehend aus 12 Teilleitern, die gemeinsam in eine nicht näher dargestellte Kröpfschablone eingelegt waren und in dieser säulenweise, die aus den Fig. 2c bis 2f im einzelnen dargestell-

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ten Kröpfungen erhalten haben. Betrachtet man in Fig. 2c beispielsweise den Teilleiter 12, so sieht man, daß er auf der Stablänge bei 360°-Verdrillung zunächst von Ebene el drei Kröpf schritte nach Ebene e4- abgebogen ist, anschließend einen Kröpfschritt in entgegengesetztem Sinne zur Teilleiterebene e3, dann einen weiteren Kröpfschritt in gleichem Sinne zur Teilleiterebene e2 und schließlich zurückkehrend um einen weiteren Kröpfschritt zur Teilleiterebene el, was durch vergleichende Betrachtung von S¹Ig. 2b leicht verständlich ist. Entsprechende, jedoch räumlich phasenverschobene Abkröpfungen weisen auch die übrigen Teilleiter der Säule T1 auf. Entsprechendes gilt für die Teilleiter-Säulen T2 bis T4- nach Fig. 2d bis Fig. 2f. Nachdem die einzelnen Teilleiter in der Kröpfschablone vorgebogen sind, können sie zu einer Teilleiter-Säule (T1, T2, T3 oder T4) vereinigt werden. Die einzelnen Teilleiter-Säulen werden, wie bereits geschildert, dann zum 4—Ebenenstab ineinandergeschoben und miteinander vereinigt, was aus Fig, 3a und Jb deutlieh hervorgeht.

Fig. 3a zeigt die Oberseite des 4-Ebenen-Leiterstabes nach Fig. 2b bis 2f. Es ist ersichtlich, daß der jeweils obere Teilleiter der Ebene el um 3 Teilleiterbreiten im Uhrzeigersinn abgekröpft wird (bei Betrachtung des Stabquerschnittes von seinem linken Ende aus) und dann in der Ebene 4 nach unten wandert. Unten angekommen, werden die jeweiligen Teilleiter um eine Teilleiterbreite zur Ebene e3 abgekröpft, wandern diese Ebene nach oben und werden, oben angekommen, um eine weitere Teilleiterbreite zur Ebene e2 hin abgekröpft und durchwandern diese Ebene von oben nach unten. Unten angekommen, werden die Teilleiter jeweils um eine weitere Teilleiterbreite zur Ebene el hin abgekröpft, durchwandern diese Ebene von unten nach oben und gelangen bei einer 360°-Verdrillung wieder an ihren Ausgangsplatz (siehe auch die

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VPA 78 P 9452 BBD Ansicht der Stabunterseite nach Fig. 3b). Die Umbandelung des Teilleiter-Stab-Paketes ist in den Fig. 3a, 3b mit b bezeichnet. Es ist aus diesen Fig. auch ersichtlich, daß den einzelnen Teilleitern eine bestimmte Neigungoc gegeben ist derart, daß sie bei einer 36O°-Verdrillung und einem 4—Ebenenstab auf einem Viertel der Stablänge gerade die Stabhöhe h durchlaufen haben. Bei Betrachtung von Fig. 2a und 2b sowie 1a erkennt man, daß die Faltungsachse f bzw. die Faltungsebene ff des

h* fiktiven 2-Ebenen-ßoebelstabes r bei -5- liegt. Diese Höhenlage ist auch durch die Beziehung m . —— gegeben, wenn man für m den Wert 1 einsetzt und für η den Wert 4-, worin η die Ebenenzahl des herzustellenden Mehrebenen-Leiterstabes bedeutet (n = 4, 6, 8 ..., η - 2, η) und wobei für m für eine Faltung der Wert 1 einzusetzen, bei zwei Faltungen der Wert 1 und der Wert 2, bei drei Faltungen die Werte 1, 2 und 3 usf. einzusetzen sind.

In bevorzugter Ausführungsform ist der 4—Ebenenstab nach dem ersten Ausführungsbeispiel (siehe Fig. 3a, 3°) hinsichtlich der vom Nutenquerfeld und vom radialen Stirnkopfstreufeld erzeugten Spannungen voll ausgeglichen, was bei dem geschilderten 4—Ebenenstab dann erreicht wird, wenn er in den beiden Wickelkopfbereichen um Jeweils 180° verdrillt ist (hier genügt eine Verdrillung zwischen zwei jeweils benachbarten Ebenen) und im Nutbereich um 540°, d. h. insgesamt um 900°. Fig. 4a zeigt dies für eine Teilleiterschleife im Aufriß, wobei erkennbar ist, daß die in den im Uhrzeigersinn orientierten Teilleiterschleifen induzierten Spannungen(θ -Vorzeichen) und die in den im Gegenzeigersinn orientierten Leiterschleifen induzierten Spannungen ( (+) -Vorzeichen) einander aufheben. Diese Spannungen werden bekanntlich durch das Nutenquerfeld induziert.

Fig. 4-b zeigt in einer Draufsicht schematisch den Verlauf

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VPA 78 P 94-52 BRD einer Teilleiterschleife bei 180⁰/54-0⁰/180°-Verdrillung für den 4~Ebenenstab, wobei ersichtlich ist, daß die vom radialen Stirnkopfstreufeld in den einzelnen Teilleiterschleifen induzierten Spannungen ( O -Vorzeichen bei Uhrzeiger-Umlaufsinn der Teilleiter und © -Vorzeichen bei Gegenzeigersinn der jeweiligen Teilleiterschleifenorientierung) einander aufheben, da ebenso wie in Fig. 4a die eingeschlossenen Flächen mit © -Vorzeichen und diejenigen mit (S -Vorzeichen gleich groß sind. 10

Fig. 5a» 5b> 5c und *?d. zeigen in entsprechender Darstellungsweise zu Fig. 1a, 1b, 1c und 1d einzelne Phasen bei Herstellung eines 6-Ebenenstabes, ausgehend von einem fiktiven 2-Ebenen-Roebelstab (.Fig. 5^), der auf 1 2
der Stabhöhe von -τ χ h* und -=r χ h* je einmal gefaltet wird (Faltungsachsen fi und f2). Das Ergebnis ist ein 6-Ebenen-Leiterstab mit den Stabebenen el bis e6 und den Kröpf stellen k1 bis k6 (.siehe Fig. 5d). Die Faltungen erfolgen gemäß Pfeilen gz 1 und gz 2 (siehe Fig. 5b) jeweils in Gegenzeigerrichtung, die resultierende Stab-ZI

höhe h beträgt 4 der Stabhöhe h* des fiktiven Ausgangsstabes r, dessen durch Auseinanderziehen gewonnene Stabteilpakete mit r1, r2 und r3 (Fig. 5b) bezeichnet sind. Aus Gründen der Vereinfachung hat hier der 6-Ebenenstab pro Stabebene lediglich drei Teilleiter; in der Praxis sind es wesentlich mehr, wie es Fig. 6a und 6b zeigen, wobei Fig. 6a der Fig. 5b und die Fig. 6b der Fig. 5<i entspricht, jedoch mit dem Unterschied, daß der fertige 6-Ebenenstab zwölf Teilleiter pro Stabebene aufweist und dementsprechend der fiktive Ausgangsstab 3 χ 12 = 36 Teilleiter pro Stabebene.

Fig. 6c bis 6h zeigen wiederum die einzelnen Teilleiter-Säulen T1 bis T6, die mittels einer Kröpfschablone ihre iⁿ Umfangsrichtung weisenden Abkröpfungen erhalten haben. Bei Betrachtung des oberen Teilleiters 12 der Säu-

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VPA 78 P 9452 BRD le T1 aus Fig. 6c in Verbindung mit Fig. 6b wird deutlich, daß der Teilleiter 12 zunächst um drei Teilleiterbreiten im Uhrzeigersinn zur Ebene e4 (Kröpfstelle k4) abgekröpft wird, die Ebene e4- von oben nach unten durchläuft und unten angekommen - im Gegenzeigersinn um eine Teilleiterbreite zur Ebene e5 (Kröpfstelle k5) abgekröpft wird, diese Teilleiterebene von unten nach oben durchläuft und oben angekommen - im Uhrzeigersinn um eine weitere Teilleiterbreite zur Ebene e6 (Kröpfstelle k2) abgekröpft wird, diese Ebene von oben nach unten durchläuft und unten angekommen - wiederum um drei Teilleiterbreiten im Uhrzeigersinn zur Ebene e3 (Kröpfstelle 6) abgekröpft wird, diese Ebene von unten nach oben durchläuft und

- oben angekommen - im Gegenzeigersinn um eine Teilleiterbreite zur Ebene e2 (Kröpfstelle k3) abgekröpft wird, diese Ebene von oben nach unten durchläuft und

- unten angekommen - im Uhrzeigersinn um eine weitere

Teilleiterbreite zu seiner Ausgangsebene el abgekröpft

bis
wird und diese zu seiner Ausgangsposition von unten nach oben durchläuft. Hierbei ist eine 360°-Verdrillung zugrundegeigt, d. h., jeder Teilleiter des 6-Ebenenstabes nimmt innerhalb des Stabpaketes St VI jede Höhenlage und jede Seitenlage ein.

Dies wird auch bei Betrachtung der Fig. 7a und 7b verdeutlicht, wobei Fig. 7a die Ansicht der Staboberseite und Fig. 7b die Ansicht der Stabunterseite zeigen und die Neigung der Teilleiter innerhalb des Stabpaketes wiederum mit C< bezeichnet ist. Bei einer vergleichenden Betrachtungsweise der Fig. 7a und des oberen Teils der Fig. 6b bzw. der Fig. 7b und des unteren Teils der Fig. 6b wird die Verdrillung ohne weiteres verständlich. Mit b ist wiederum die Umbandelung des Stabpaketes bezeichnet, die als vorläufige Fixierung dient.

Die Herstellung des fertigen Stabpaketes St VI durch

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ORIGINAL INSPECTED

VPA 78 P 94-52 BRD Ubereinanderstapeln der vorgekröpften Teilleiter t zur jeweiligen Teilleiter-Säule T1 bis T6 und das Ineinanderschieben dieser Teilleiter-Säulensind sinngemäß zu der anhand der Fig. 2c bis 2f beschriebenen auszuführen.

Pig. 8a, 8b und 8c zeigen die bevorzugte Ausführungsform eines voll ausgeglichenen, in seinem Nutbereich um 540 verdrillten 6-Ebenenstabes, wobei der fiktive Ausgangsstab nach Fig. 8a bereits um 5^-0° verdrillt ist und der fertige 6-Ebenenstab dadurch entstanden gedacht werden kann, daß der 2-Ebenen-Roebelstab r nach Fig. 8a zweimal

1 2 um die Faltungsachsen f1 bzw. f2, die bei -τ h* bzw. -τ h* liegen, gefaltet wird. Die repräsentative Leiterschleife nach Fig. 8a erhält dann die Form, die aus Fig. 8b ersichtlich ist, wo wiederum im Aufriß dargestellt ist, daß die einzelnen Teilleiterschleifen hinsichtlich der vom Nutenquerfeld erzeugten Spannungen über die Stablänge gesehen ausgeglichen sind, wie es die im Gegenzeigersinn verlauf enden (J/ -Leiterschleifen und die im Uhrzeigersinn orientierten θ -Leiterschleifen verdeutlichen (.vgl. hierzu die Darstellung nach Fig. 4a für einen 4-Ebenenstab). Fig. 8c zeigt in entsprechender Darstellung zu Fig. 4b die Draufsicht auf eine repräsentative Leiterschleife des 6-Ebenenstabes, der mehrere einander kreuzende Unterschleifen aufweist, wobei die im Uhrzeigersinn orientierten O -Schleifen und die im Gegenzeigersinn orientierten(T) -Schleifen in ihren Flächen gleich sind, so daß auch die vom radialen Stirnkopfstreuffeld induzierten Spannungen aufgehoben werden.

Die Fig. 9a, 9b, 9c und 9d. zeigen wiederum in vereinfachter, schematischer Darstellung entsprechend zu der Darstellung nach den Fig. 1a bis 1d die Herstellung eines 8-Ebenenstabes St VIII (Fig. 9d), ausgehend von einem fiktiven, als 2-Ebenen-Roebelstab ausgebildeten Ausgangsstab r, der die Stabhöhe h* und die beiden

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Teilleiterebenen I und II mit Teilleitern 1 bis 12 bzw. 13 bis 24 aufweist. Um die Faltungsachse f1 erfolgt die Faltung im Uhrzeigersinn gemäß Pfeil uz und um die Faltungsachsen f2 und f3 im Gegenzeigersinn gemäß Pfeilen gz 1 und gz 2. Der fertige 8-Ebenenstab St VIII weist acht Ebenen el bis e8 auf und dementsprechend acht Kröpfstellen k1 bis k8. Wie erwähnt, dienen die schematisierten Fig. 9a bis 9d dem besseren Verständnis; in der Praxis wird natürlich kein 2-Ebenen-Roebelstab nach Fig. 9a als Ausgangsstab benutzt, vielmehr werden - wie bereits anhand der Herstellung des 4-Ebenen und des 6-Ebenenstabes erläutert - die einzelnen Teilleiter-Säulen T1 bis T8 (nicht dargestellt) durch Abkröpfen der einzelnen Teilleiter innerhalb einer Kröpfschablone und anschließendes Zusammenfügen erzielt. Da ein 8-Ebenen-Leiterstab bei Verdrillung um 360° nicht voll ausgeglichen ist, wird wiederum in bevorzugter Ausführungsform so, wie anhand des 4-Ebenenstabes erläutert, eine Verdrillung von je 180 in den beiden Wickelkopfbereichen und um 5^-0 im Hutbereich vorgenommen, so daß dann dieser 8-Ebenenstab hinsichtlich der vom ITutquerfeld und vom radialen Stirnkopfstreufeld induzierten Spannungen voll ausgeglichen ist.

Die Fig. 10a, 10b und 10c schließlich zeigen in einer den Fig. 1a, 1b und 1d entsprechenden Darstellungsweise die Entstehung eines 10-Ebenenstabes, ausgehend von einem 2-Ebenen-Roebelstab r mit den beiden Ebenen I und II und den Teilleitern 1 bis 15 in der Ebene I und 16 bis 30 in der Ebene II und mit den Faltungsachsen f1 bis f4 sowie mit den einzelnen Stabteilpaketen r1 bis r5. Fig. 10b zeigt die einzelnen Kröpfstellen, die zusätzlich zu den Kröpfstellen k1 und k2 durch das Auseinanderziehen erhalten werden, nämlich die Kröpfstellen k3 bis k10, und. zeigt auch die Faltungsrichtung uz1 und uz 2 für die Teilleiterpakete r1 bzw. r5 und gz1 bzw. gz2 für die Teilleiterpakete r2 bzw. r4. Das Ergebnis ist der

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VPA 78 P 94-52 BRD 10-Ebenen-Leiterstab St X mit den Ebenen el bis e1O und den einzelnen Kröpfsteilen k1 bis k1O. Auch in bezug auf diesen 4-Ebenenstab gilt für die praktische Herstellung das bereits zum ersten und zum zweiten Ausführungsbeispiel (4-Ebenen- und 6-Ebenenstab) Gesagte.

Es versteht sich, daß bei den vorstehend geschilderten vier Ausführungsbeispielen, wie auch bei Mehrebenen-Leiterstäben mit mehr als 10 Leiterebenen, die Teilleiter zum Zwecke der Flüssigkeitskühlung, zumindest zu einem Teil, bezogen auf die Gesamtteilleiter-Anzahl, als Hohlteilleiter ausgeführt werden können, wobei die Hohlteilleiter untereinander und - bei Vorhandensein von Massivteilleitern, also bei einem sogenannten Mischstab - auch mit den Massivteilleitern verdrillt sein können. Hierbei besteht eine bevorzugte Ausführungsform darin, daß die Hohlteilleiter insbesondere zur Wärmeabfuhr benutzt werden und weniger oder praktisch nicht zur Stromleitung (diese wird von den Massivteilleitern übernommen), wobei dann die Hohlteilleiter aus einem Metall geringerer Leitfähigkeit als die Massivteilleiter gefertigt werden. So bestehen insbesondere die Massivteilleiter aus Kupfer und die Hohlteilleiter aus Stahl, was auch den Vorteil hat, daß sie bei gegebenem hydraulischen Durchmesser eine ausreichende mechanische Stabilität aufweisen, die sie in die Lage versetzt, ohne Beeinträchtigung der mechanischen Stabilität mit den Kröpfstellen versehen zu werden und auch hinreichende Stabilität gegen Schwingungen innerhalb des Stabpaketes aufzuweisen. Auf diese Weise können die durch die Hohlteilleiter fließenden Wirbelströme auf vernachlässigbar kleinen Werten gehalten werden; jedenfalls läßt sich bei gegebenem hydraulischen Durchmesser und gegebenem Querschnitt der Hohlteilleiter eine Optimierung hinsichtlieh ihres spezifischen Widerstandes derart durchführen, daß die Wirbelstromverluste über den Stabgesamtquerschnitt gesehen ein Minimum werden.

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In Fig. 8A ist die axiale Länge des Nutteils des Wicklungsstabes mit 1 und seines Wickelkopfteiles mit Iw bezeichnet, wobei - wie ersichtlich - im Kutteil eine 540°-Verdrillung mit jeweils einem 180^o-U:nlauf auf 1/4- 1, 1/2 1 und 1/4 1 durchgeführt ist. Die axiale Länge Iw des Wickelkopfteiles ist mit ,jeweils 1/2 Iw auf die beiden Stabenden aufgeteilt.

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ORIGINAL INSPECTED

Claims

Patentansprüche

Λ.J Mehrebenen-Leiterstab für elektrische Maschinen, insbesondere für Turbogeneratoren, dessen Teilleiter in mindestens 4- unifangsmäßig nebeneinanderliegenden Ebenen radial übereinanderliegend angeordnet und um mindestens 360° verdrillt sind, dadurch g e k e η η ζ eichnet, daß ausgehend von einem 2-Ebenen-Roebelstab als fiktiver größter gemeinschaftlicher Verdrillungseinheit ein 4-Ebenen-Leiterstab durch einfache Faltung um eine auf halber Stabhöhe des fiktiven Ausgangsstabes angeordnet gedachte Faltungsachse gebildet ist, daß ein 6-Ebenen-Leiterstab durch zweifache Faltung um jeweils eine auf 1/3 bzw. 2/3 der Stabhöhe des fiktiven Ausgangsstabes angeordnet gedachte Faltungsachse gebildet ist, usf., wobei allgemein die Bildung eines n-Ebenen-Stabes durch f = % - 1 Faltungen des fiktiven Ausgangsstabes um jeweils eine der Ij -1 Faltungsachsen erfolgt und die jeweilige Höhenlage der Faltungsachsen durch die Beziehung m = m

2, 3···;φ - 1, m) gegeben ist, worin h = die Stabhöhe bedeutet und η = 4-, 6, 8...,η - 2, η.

%, Mehrebenen-Leiterstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem 4—Ebenen-Leiterstab der 360°-Verdrillungsumlauf eines Teilleiters beginnend in einer oberen Lage einer ersten äußeren Ebene (e^) wie folgt ist: Kröpfschritt (k) um 3 Teilleiterbreiten zur zweiten äußeren Ebene Ce/,)» Durchlaufen dieser Ebene von oben nach unten, Kröpfschritt (k) um eine Teilleiterbreite zur benachbarten inneren Ebene Ce,), Durchlaufen dieser Ebene von unten nach oben, Kröpfschritt (k) um eine Teilleiterbreite zur benachbarten zweiten Ebene (e₂), Durchlaufen dieser Ebene von oben nach unten und Kröpfschritt (k) um eine weitere Teilleiterbreite

ORIGINAL INSPECTED

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zurück zur ersten äußeren Ebene (e^,) und Durchlaufen dieser Ebene von unten nach oben, wobei sich dieser Umlauf tabellarisch wie folgt darstellt:

^ex -* ^ey \ ^bzw· t

_{4 3}

1 e_$ _* e₂ j

_$ _* e₂ 2 -^ ^e1

^e2 -^ ^e1 t

worin k = Kröpfschritt, gemessen in Teilleiterbreiten, e —> β = Übergang von Ebene e zu Ebene e und \ χ y χ y

bzw. f = absteigender bzw. aufsteigender Durchlauf in der betreffenden Ebene e bedeuten.

3. Mehrebenen-Leiterstab nach Anspruch 1, dadurch gekennz eichnet, daß bei einem 6-Ebenen-Leiterstab der 360°-Verdrillungsumlauf eines Teilleiters, beginnend in einer oberen Lage einer ersten, äußeren Ebene Ce^) sich wie folgt darstellt:

k e —■> e i bzw.

χ y τ

3 β_Λ e₄ 4

1 e₄ e₅ t

1 e₅ e₆ J

3 e. e. t

6 ^C3

3 ^e2 4 1 e_{2 θι} t

1 e-, e_o

3 2

4. Mehrebenen-Leiterstab nach Anspruch 1, dadurch gekennz eichnet, daß bei einem 8-Ebenen-Leiterstab der 360°-Verdrillungsumlauf eines Teilleiters,

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beginnend in einer oberen Lage einer ersten äußeren Ebene Ce,,), sich wie folgt darstellt:

bzw.

_{2 5} J

3 e_$ -^ e₆

_{$ 6}

1 e₆ —.. e„ T

1 e₇ -^ e₈ j

3 e₈ _> e₅

1 _βς —♦ e*. »

3 e₄ —► β_Λ J

5· Mehrebenen-Leiterstab nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er zwecks vollständigen Ausgleichs der vom Nutenquerfeld und dem radialen Stirnkopfstreufeld induzierten Spannungen im Wickelkopf- bzw. Nut- bzw. Wickelkopfbereich um 180° bzw. 540° bzw. 180°, d. h. insgesamt um 900°, verdrillt ist, wobei die Verdrillung im Wickelkopfbereich nur zwischen zwei benachbarten Ebenen erfolgt.

6. Mehrebenen-Leiterstab nach Anspruch 3i dadurch gekennzeichnet, daß er zwecks vollständigen Ausgleichs der vom Nutenquerfeld und dem radialen Stirnkopfstreufeld induzierten Spannungen im Nutbereich um 540° verdrillt ist.

7· Mehrebenen-Leiterstab nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er für die Ständer- und/oder Luftspaltwicklung eines supraleitenden Turbogenerators verwendet ist.

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8. Verfahren zur Herstellung eines Mehrebenen-Leiterstabes nach Anspruch 1 mit e Ebenen und t Teilleitern je Ebene, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von der Stabquerschnittsebene O (.Stabanfang) die Leiter der jeweiligen Ebene Ce^» ^ep** *»^en-1♦ e_n) jeweils in eine Kröpfschablone eingelegt und mit ihrer endgültigen Lage im fertig verdrillten Mehrebenen-Leiterstab entsprechenden Kröpfungen versehen werden, daß die abgekröpften Teilleiter der jeweiligen Ebene Ce^, β2·.·.,β ., e ) zu je einer Teilleiter-Säule übereinander geschichtet werden und daß schließlich die einzelnen Teilleiter-Säulen ineinander geschoben und zum kompletten Mehrebenen-Leiterstab miteinander verbunden werden.

9. Mehrebenen-Leiterstab nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennz eichnet, daß seine Teilleiter zum Zwecke der Flüssigkeitskühlung zumindest zu einem Teil, bezogen auf die Gesamtteilleiter-Anzahl, als Hohlteilleiter ausgeführt sind, wobei die Hohlteilleiter untereinander und - bei Vorhandensein von Massivteilleitern - auch mit letzteren verdrillt sind.

9Ü9S38/934S