DE3122808A1

DE3122808A1 - Dynamoelektrische maschine

Info

Publication number: DE3122808A1
Application number: DE19813122808
Authority: DE
Inventors: Shigetaka Kobe Hyogo Kawai
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1980-06-09
Filing date: 1981-06-09
Publication date: 1982-05-06
Also published as: FR2484164B1; JPS573541A; CH665508A5; GB2079541B; US4384227A; GB2079541A; DE3122808C2; FR2484164A1

Description

* β · * α 9

Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha
Tokyo, Japan - FAM 5C89

Dynamoelektrische Maschine

Die Erfindung betrifft eine dynamoelektrische Maschine trad

insbesondere eine Ankerwicklung, bei der mehrere Adern (strands)

eines geteilten Wicklungsleiters einander kreuzen (are transposed), für eine solche Maschine.

Die Ankerwicklungen von dynamoelektrischen Maschinen werden im allgemeinen aus in mehrere Adern (Einzelleiter) unterteilten Spulen- oder Wicklungsleitern geformt, um eine Ankopplung der in einem Leiter durch den Magnetfluß erzeugten Wirbelströme an die Wicklungsleiter zu verhindern.

Die getrennten, einzelnen Adern erzeugen jedoch gegenseitig einen Potentialunterschied aufgrund des Magnetflußeffekts, wobei zwischen den Adern ein zirkulierender Strom fließt. Dies kann jedoch durch eine Verdrillung oder Kreuzung (transposition) zwischen den Adern verhindert werden.

Bei den bisherigen Ankerwicklungen werden die Adern (Einzelleiter) typischerweise über 360° über die axiale Länge des Leiters in den Nuten des Ankerkerns gekreuzt oder verdrillt, so daß jede Ader über jede Relativposition über die axiale Länge des Leiters in dem Raum zwischen dem Eintrittspunkt des Leiters in die Nut und seinem Austrittspunkt aus dieser verdreht ist.

Dieses bisherige Verfahren zum Verdrillen oder Kreuzen der Adern (Einzelleiter) in einer Wicklung erfordert jedoch doppelt soviele Überkreuzungen zwischen den Aderreihen, wie Adern vorhanden sind; bei Vorrichtungen mit einem kurzen Ankerkern oder einer großen Zahl von Aderlagen ist dabei die Steigung (pitch) der Verdrillungen außerordentlich klein, weshalb

diese Anordnung im Hinblick auf Größenbeschränkungen in der Praxis nicht anwendbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Ausschaltung der vorstehend geschilderten Nachteile des Stands der Technik durch Schaffung einer dynamoelektrischen Maschine mit einer Ankerwicklung, bei welcher die zirkulierenden Ströme zwischen den Adern (Einzelleitern) auch im Fall von Konstruktionen mit einem kurzen Ankerkern oder einer großen Zahl von Aderlagen wirksam unterdrückt werden, indem die Adern in den Nutabschnitten über einen Winkel von praktisch 360°, dividiert durch die Zahl der Segmente, über welche die Adern gekreuzt werden sollen, verdrillt bzw. gekreuzt und die Positionen der Adern in bezug auf eine andere Wicklung an den Anschlußabschnitten versetzt werden, um sie mit einer entgegengesetzten Verdrillung mit einem Winkel entsprechend praktisch der Hälfte des Winkels innerhalb der Nuten anzuschließen, so daß jede Ader (Einzelleiter) bei einem vollen Durchgang der Wicklungsgruppe einer Einzelphase durch jeden Nutabschnitt über einen Gesamtwinkel von 360° oder einen nahezu 360° betragenden Winkel verdrillt oder gekreuzt (transposed) ist.

Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Pig. 1 eine im Schnitt gehaltene Teilseitenansicht einer dynamoelektrischen Maschine,

Fig. 2 eine schaubildliche Darstellung der Spule (coil) einer Ankerwicklung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, von der Seite her gesehen,

Fig. 3 eine Aufsicht auf den (sog.) Nutabschnitt der Spule gemäß Fig. 2,

Fig. 4a einen Schnitt längs der Linie X-X in Fig. 2, Fig. 4b einen Schnitt längs der linie Y-Y in Fig. 2, Fig. 4c einen Schnitt längs der Linie Z-Z in Fig. 2,

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Anordnung der gekreuzten (transposed) Adern bzw. Einzelleiter zur Veranschaulichung von Schnitten längs der Linien J-J, K-K, L-L und M-M an den Endabschnitten der Wicklungen gemäß Fig. 2, wobei die Ansichten im Schnitt längs der Linien L-L und M-M im Sinne der fortlaufenden Wiedergabe und zur Erleichterung des Verständnisses umgedreht dargestellt sind,

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Überkreuzung (transposition) zur Darstellung des Verlaufs der Kreuzungen bei der Spule gemäß Fig. 2 durch die aufeinanderfolgenden Nutabschnitte einer Einzelphase, wobei die End- und Anschlußteile der Übersichtlichkeit halber weggelassen sind,

Fig„ 7 eine schematische Darstellung der Positionen der Adern an den Endteilen einer Einzelphase der Spule nach Fig. 2 für jede einzelne Ader,

Fig. 8 eine schematische oder schaubildliche Darstellung der Kreuzung eines Teils der oberen Spulen einer Ankerwicklung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, von der Seite her gesehen, und

Fig. 9 eine Aufsicht auf den Nutabschnitt (den in der Nut befindlichen Abschnitt) der Spulen gemäß Fig. 8.

Fig. 1 zeigt im Schnitt einen Teil eines Ankers einer typischen dynamoelektrischen Maschine, auf welche die Erfindung anwendbar ist. Dabei weist ein drehbarer Ankerkern 1 in seiner Mantelfläche eine Anzahl von Nuten 1a auf, in welche jeweils die geraden Abschnitte einer oberen und einer unteren Windung bzw. Spule (coil) 2 bzw. 3 eingesetzt sind, die wiederum jeweils eine Halbspule bilden, wobei der Verbindungsteil 2b am einen Ende der oberen Spule 2 und der .Verbindungsteil 3b am einen Ende der unteren Spule 3 in einer Nut 1a, getrennt durch einen Trennabstand (spacing pitch) zwischen Polen, zur Bildung einer einzigen Gesamtspule oder -windung miteinander verbunden sind. Der Verbindungsteil 2a am anderen Ende der oberen Spule 2 ist mit der unteren Spule einer benachbarten Spule desselben Pols und derselben Phase (oder der Kreuzungsleitung zwischen Spulengruppen) verbunden, und der Verbindungsteil 3a am anderen Ende der unteren Spule 3 ist mit der oberen Spule einer benachbarten Spule desselben Pols und derselben Phase (oder der Kreuzungsleitung zwischen Spulengruppen) verbunden. Der Abschnitt S (Fig. 1) von oberer und unterer Spule 2 bzw. 3 bildet den sog. Nutabschnitt (d.h. den in der Nut angeordneten Abschnitt), während die Abschnitte E1 und E2 die Endteile und die Abschnitte T1 und T2 die Verbindungsteile darstellen.

Fig. 2 veranschaulicht die Kreuzung (transposition) der Adern bzw* Einzelleiter der Spule einer erfindungsgemäßen Ankerwicklung, von der Seite her gesehen, während Fig. 3 den Nutabschnitt der Spule gemäß Fig. 2 in Aufsicht zeigt. Die jeweiligen einzelnen, isolierten Adern 5 von oberer und unterer Spule 2 bzw. 3 sind im Nutabschnitt S mit einer Kreuzung unter einem passenden Winkel von weniger als 360° angeordnet. Dabei beträgt der Kreuzungswinkel - der Unterschied in den

a · ♦ λ

(14 <* *■

Positionen zwischen zwei Einzeladern - für zwei Reihen und vier Lagen (levels) der Adern 5 im wesentlichen 90°, wobei die Reihen von oberer und unterer Spule 2 bzw. 3 jeweils zwei Überkreuzungen (crossings) 5p aufweisen. Bei jeder Ader sind obere und untere Spule 2 bzw. 3 derselben Gesamtspule (Windung) an den Verbindungsteilen T2 durch Anschlüsse 7 und 8 verbunden. An den Verbindungsteilen T1 sind ebenso obere und untere Spule 2 bzw. 3 einer benachbarten Gesamtspule (Windung) desselben Pols und derselben Phase sowie untere und obere Spule 3 bzw. 2 einer benachbarten Gesamtspule desselben Pols und derselben Phase jeweils durch Anschlüsse 7 und 8 verbunden. Durch die Verbindungen der Adern an diesen Verbindungsteilen T1 und T2 wird die·Lage (Verlauf) der Ader 5» in deren Verlaufsrichtung gesehen, geändert» In den Fig. 2 und 3 entspricht diese Lagenänderung einer Ader bzw. einer Kreuzung praktisch 45°.

Die Fig. 4a bis 4c sind Schnittansichten längs der Linien X-X, T-Y bzw. Z-Z in Fig. 2 zur Veranschaulichung der Positionen jeder Ader (Einzelleiter) 5· Die einzelnen Adern von oberer und unterer Spule 2 bzw. 3 sind jeweils durch einen passenden Anschluß 7, 8 gegeneinander verspannt und durch Löten oder Verpressen (waxing) verbunden.

Figo 5 veranschaulicht schematisch die Kreuzungszustände der einzelnen Adern 5 über eine Phase längs der Verlaufsrichtung der Spule im Schnitt längs der Linien J-J, K-K, LrL undM-M an den Endteilen E1 und E2 gemäß Fig. 2„ Jeder Abschnitt weist in die Verlai fsrichtung der Spule (vgl. Pfeil); zur Erleichterung des Verständnisses des Kreuzungszustands der unteren Spule 3 ist diese um 180° umgedreht dargestellt. Bei der dargestellten Ausführungsform sind vier Spulen 4 (Gesamt- oder Vollspulen) jedes Pols und jeder Phase vorhanden, und es sind jeweils vier obere und vier untere Spulen 2 bzw. 3 vorgesehen. Die Buchstaben A-D

und a - d bezeichnen die acht einzelnen, parallelgeschalteten Adern eines Reihenstromkreises. Der Bereich einer Gesamtspule 4 ist durch ein strichpunktiertes Kästchen angegeben. Obere und untere Spule 2 bzw. 3 jeder Ader 5 kreuzen einander in jedem Hutabschnitt S über praktisch 90° in Verlaufsrichtung, während sie sich an den Verbindungsteilen T1 und T2 um praktisch 4-5° in Rücklauf richtung kreuzen., d.h. entgegengesetzt zur Kreuzungsrichtung in den Nutabschnitten S; diese Anordnung wiederholt sich für jeder der vier Spulen j.edes Pols und jeder Phase, und die Positionen jeder Ader 5 ^m. Nutabschnitt S sind um einen elektrischen Winkel von im wesentlichen 360° über einen vollen Umlauf (circuit) der oberen und unteren Spulen 2 bzw. 3 gekreuzt. Die elektromotorische Kraft der einzelnen Adern 5 in den Spulengruppen jedes Pols und jeder Phase ist daher im Gleichgewicht, und die Stromverteilung ist gleichmäßig.

Fig. 6 zeigt schematisch die durchgehende Kreuzung im Nutabschnitt von allen (vier) oberen Spulen 2 in einer Einzelphase jedes Pols der Gesamtspule (mit weggelassenen Verbindungsteilen T1 und T2), wobei die Nutabschnitte mit S1 für die erste obere Spule 2, mit S2 für die zweite obere Spule usw. bezeichnet sind. Die mit b bezeichnete Ader 5 entspricht der Ader d gemäß Fig. 5· Im. Hinblick auf die Gesamtheit einer Einzelphase weist jede Ader 5 dieselbe Positions- oder Verlaufsänderung über die gesamten Nutabschnitte wie die Kreuzung von 360° beim Stand der Technik auf, und jede Ader ist bezüglich des Magnetflusses in den Nuten symmetrisch (balanced).

Fig. 7 zeigt für jede Ader bzw. jeden Einzelleiter 5 der Spule gemäß Fig. 2 die an den Enden von oberer und unterer Spule 2 bzw. 3 über eine Phase jedes Pols eingenommene Lage. Die Symbole o, ·, ® und φ geben jeweils die von den Adern in den Schnitten längs der Linien J-J, K-K, L-L bzw. M-H eingenommenen Lagen an, wobei der obere Abschnitt der oberen Spule 2 und der untere Abschnitt der unteren Spule 3 ent-

spricht. Jede Ader A-D und a - d der Adern 5 nimmt dieselbe Position oder Lage oben und unten sowie links und rechts ein, und sie sind sämtlich bezüglich des Magnetflusses in Umfangs- und Hadialrichtung symmetrisch (balanced).

Die erwähnte Symmetrie der Adern 5 wird dadurch erreicht, daß die Zahl der Aderlagen der Zahl (vier) der Spulen in federn Pol und jeder Phase gleich ist und in den Nutabschnitten von oberer und unterer Spule 2 bzw. 3 eine zwei Adern äquivalente Kreuzung, d.h. 90°, vorgesehen ist, während am Anschlußteil am Spulenende eine umgekehrte (reverse) Kreuzung entsprechend einer Ader (4-5°) vorgesehen ist.

Dies bedeutet, daß die Kreuzung (transposition) in bezug auf die Zahl der Aderlagen in Segmente unterteilt ist, wobei die Zahl der Segmente N beträgt. Obere und untere Spulen 2 bzw. 3 sind in den Hutabschnitten mit einer Kreuzung von 360° χ ET und in den Anschlußteilen mit einer solchen von 360° χ (2N)~ angeordnet; auf diese Weise ist es möglich, jede Leitung (line) einer Ankerwicklung in bezug auf den einwirkenden Magnetfluß abzugleichen bzw. symmetrisch zu gestalten, wenn die Zahl der Spulen jedes Pols und jeder Phase der Zahl der Aderlagen (entsprechend der Zahl N der Segmente) gleich ist.

Erfindungsgemaß lassen sich ähnliche Wirkungen bei Anwendung auf einen Fall erzielen, in \\relchem die Zahl der Spulen oder Windungen jedes Pols und jeder Phase gleich m*N ist»- Genauer gesagt: durch m-malige Wiederholung der in Fig. 5 gezeigten Kreuzung erhält der Kreuzungsverlauf der Nutabschnitte gemäß Fig. 6 eine symmetrische Kreuzung von 360° χ m, und die Endteilpositionen gemäß Fig. 7 werden jeweils mit m multipliziert, so daß eine symmetrische Anordnung erzielt wird.

Wenn zudem die Zahl der Aderlagen M und die Zahl der Spulen für jeden Pol und jede Phase Μ·η betragen, die Zahl der

Aderlagen m mit N (N = Μ·η~ , entsprechend der Spulenzahl) segmentiert wird und die Kreuzung über die Zahl von Segmenten K vorgenommen wird, lassen sich ähnliche Wirkungen wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform erzielen. Genauer gesagt, wenn die oberen und unteren Spulen in jedem Nutabschnitt um 560° χ N~ und in federn Verbindungsteil umgekehrt oder entgegengesetzt (reverse) um 360° χ (2N) gekreuzt sind, ist jede Ader abgeglichen bzw. symmetrisch. In diesem Fall werden vorzugsweise die Anschlüsse 7 und.8 an jeder Ader vorgesehen. Falls jedoch eine große Zahl von Adern bzw. Einzelleitern vorhanden ist, können diese auf die in den Fig. 8 und 9 dargestellte Weise angeordnet werden, welche die Seitenfläche eines Abschnitts der oberen Spulen zeigen. Die Einzeladern oder -leiter 5 der oberen Spule 9 und der unteren Spule (nicht dargestellt) sind in mehrere Adergruppen 10 unterteilt, die durch die Anschlüsse 7 und 8 jeweils zusammengefaßt sind, so daß jede Adergruppe 10 in einer Phase symmetrisch ist. Die Adern 5 in einer einzelnen Gruppe 10 sind an beiden Enden der oberen Spule 9 und der unteren Spule kurzgeschlossen, so daß ein zirkulierender Strom einer gewissen Größe fließen kann; im Gegensatz zu dem Fall, in welchem alle Adern 5 einer Halbspule an beiden Enden kurzgeschlossen sind, ist der zirkulierende Strom zwischen den Adern 5 innerhalb der einzelnen Gruppen 10 nicht sehr groß. Infolgedessen kann ohne weiteres diese Konstruktion angewandt werden, bei welcher die Adern zu Gruppen 10 zusammengefaßt sind, indem das Ausmaß der zusätzlichen Verluste erfaßt (grasping) und die Temperaturauslegung (temperature design) entsprechend gewählt wird.

Wie erwähnt, lassen sich vorteilhafte Ergebnisse dann erzielen, wenn die Beziehung zwischen der Zahl der Aderlagen und der Zahl der Spulen oder Windungen für jeden Pol und jede Phase so gewählt wird, daß die eine Zahl ein ganzzahliges Vielfaches der anderen Zahl ist; auch wenn das Ergebnis

nicht ideal ist, kann diese Beziehung entsprechend einem ganzzahligen Vielfachen stets angewandt werden, um im wesentlichen ausgeglichene bzw. symmetrische Ergebnisse bzw. Verhältnisse zu erhalten. Wenn beispielsweise die Zahl der Spulen für jeden Pol und jede Phase 7 und die Aderlagenzahl M = 6 betragen, entspricht die Zahl der KreuzungsSegmente .N = 6, so daß die Kreuzung in den Nutabschnitten praktisch 60° und die umgekehrte oder entgegengesetzte Kreuzung am Verbindungsteil praktisch 30° betragen, wobei der Kreuzungsverlauf eines Nutabschnitts in einer Phase gemäß Fig. 6 einem elektrischen Winkel von 420° (360° + 60° = 420°) entspricht, wie dies bei den Endteil-Aderpositionen gemäß Pig. 7 durch die Symbole ο, β, <§) und (D angegeben ist. Dies bedeutet, daß für eine Einzelphase mit 7 Spulen oder Windungen sechs Spulen abgeglichen bzw. symmetrisch (balanced) sind, während die Positionen der Adern der restlichen einen Spule unabgeglichen bzw. unsymmetrisch sind und somit ein gewisser zirkulierender Strom fließt. Das in Reihe geschaltete Stück der Spulen einer Einzelphase ist jedoch sehr lang, und die Impedanz in bezug auf den zirkulierenden Strom zwischen den Adern ist zudem so groß, daß zusätzliche Verluste (Dämpfung) ausreichend klein gehalten werden können. Selbst wenn daher die Beziehung zwischen der Zahl der Spulen jedes Pols und jeder Phase und der Zahl der Aderlagen (strand levels) kein ganzzahliges Vielfaches ist, kann bei entsprechender Temperaturauslegung dennoch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Kreuzungsmöglichkeit angewandt werden.

Wie beschrieben, erfolgt erfindungsgemäß die Kreuzung (Verdrillung) der Adern im Nutabschnitt der Spule oder Windung mit einem Winkel von im wesentlichen 360°, dividiert durch die Zahl der Segmente, über welche die Adern einander kreuzen sollen, und die Positionen der Adern in beisug auf eine andere Spule sind an den Verbindungsteilen so versetzt, daß sie mit einer entgegengesetzten Kreuzung unter einem Winkel praktisch entsprechend der Hälfte des Kreuzungswinkels innerhalb der Nuten angeschlossen sind, so daß jede Ader über einen Gesamtwinkel von 360° oder einen nahezu 360° entsprechenden

Winkel gekreuzt ist, während die Spulengruppe einer Einzelphase einen vollständigen Durchgang durch jeden Hutabschnitt durchführt, so daß auch bei Konstruktionen mit kurzem Ankerkern oder einer großen Zahl von Aderlagen zirkulierende Ströme zwischen den Adern bzw. Einzelleitern wirksam unterdrückt werden können. Auch bei den bisherigen.Konstruktionen, bei
denen eine 360°-Kreuzung in einem Nutabschnitt angewandt
wird, so daß praktisch keine Interferenz .hervorgerufen wird, kann bei Anwendung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kreuzungsanordnung die physikalische Arbeit zur Ausbildung der
Kreuzung oder Verdrillung bezüglich Zeit- und Kostenaufwand vereinfacht werden.

Leerseite

Claims

ο , O U Henkel,Kern,FeilerCrHänzel :..: I!: * :..:::.: * :..: .:. Patentanwalt© Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Möhlstraße 37 m , _ D-8000 München Tokyo, Japan Tel.: 089/982085-87 Telex: 0529802 hnkld Telegramme: ellipsoid Γ 9. Juni 198t FAM-5089 Dynamoelektrische Maschine Patentan Sprüche

1.)Dynamoelektrische Maschine mit einem im wesentlichen zylindrischen Anker (1), der einen drehbaren Kern mit einer Vielzahl von in dessen Mantelfläche vorgesehenen Nuten (la) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zahlreiche Spulen oder Windungen (2,5) nach einer Anzahl von Polen und Phasen gewickelt sind, daß die Spulen (jeweils) mehrere getrennte Einzeladern bzw. -leiter (5) aufweisen und daß die Adern oder Einzelleiter (5) der Spulen (2,3) einander in mehreren Lagen (levels) überlappen und jeweils über die Länge der Spule in bezug auf die anderen Adern so gekreuzt (transposed) sind, daß sie in den Nutabschnitten (5) (d.h. in den Abschnitten innerhalb der Nuten) einander unter einem Winkel von praktisch 360°, dividiert durch die Zahl von Segmenten, über welche die Adern einander kreuzen sollen, kreuzen und an den endseitigen Verbindungs-

teilen (T^ , T₂) unter einem Winkel von praktisch. 360°, dividiert durch das Doppelte der Zahl von Segmenten, über welche sich die Adern kreuzen sollen, entgegengesetzt bzw. umgekehrt (reverse) gekreuzt sind, so daß sich über alle Segmente hinweg eine Gesamtkreuzung (total transposition) praktisch entsprechend 360° einstellt.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Segmente, über welche die Adern bzw. Einzelleiter einander kreuzen sollen, der Zahl der Aderlagen (strand levels) gleich ist.

3. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Segmente, über welche die Adern bzw. Einzelleiter einander kreuzen sollen, einer Zahl von Gruppen von Aderlagen gleich ist.

4-, Maschine nach einem der Ansprüche Λ bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Segmente, über welche die Adern einander kreuzen sollen, der Zahl der Spulen bzw. Windungen (coils) für jeden Pol und jede Phase gleich ist.

5· Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl von Spulen oder Windungen jedes Pols und jeder Phase auf die Zahl der Segmente, über welche die Adern oder Einzelleiter einander kreuzen sollen, in einem Verhältnis bezogen ist, das ein ganzzahliges Vielfaches darstellt.