DE312704C - - Google Patents

Description

In dem Hauptpatent 302985 ist gezeigt, wie man in Wicklungen für elektrische Maschinen und Apparate durch Anordnung von magnetischen Hilfskreiscn die zusätzliche Stromwärme verringern kann. In den dort beschriebenen Beispielen ist vorausgesetzt, daß die parallel geschalteten Einzelleiter, aus denen sich die Wicklung zusammensetzt, unverschränkt bleiben und die magnetischen Hilfskreise innerhalb der Maschine entweder in den Nuten oder in den Querverbindungen der Wicklung angeordnet werden. Hierbei werden die Streuspannungen im allgemeinen gegenüber der Anordnung ohne Hilfskreise merklich vergrößert und es ergeben sich für die Hilfskreise zuweilen verhältnismäßig große und auch nicht ganz einfache Eisenkörper. Verschränkt man jedoch die Einzelleiter in an sich bekannter Weise an einer oder an mehreren Stellen der Wicklung, so werden die magnetischen Hilfsflüsse zur Unterdrückung der zusätzlichen Stromwärme wesentlich kleiner und die Induktivität der Wicklung wird geringer. Andererseits kann man die Einzelleiter auch isoliert aus der Maschine herausführen und die magnetischen Hilfskreise außerhalb der Maschine anordnen, wodurch ebenfalls eine wesentliche Verringerung der Induktivität der Wicklung und in manchen Fällen auch gewisse konstruktive Vorteile erreicht werden können, und zwar hier teilweise auch in dem Falle, wo die Leiter der Wicklung unverschränkt bleiben. Diese beiden Sonderfälle der Einrichtung nach dem Hauptpatent bilden den Gegenstand der Erfindung und sollen im folgenden näher erläutert werden.

Während sich bei unverschränkten Wicklungen die Nutenquerflüsse zwischen zwei an den Enden des Wicklungszweiges leitend verbundenen Einzelleiter immer addieren, ist dies bekanntlich bei den Wicklungen, die in allen oder in einem Teil der Querverbindungen oder auch im Innern der Nut verschränkt sind, nicht mehr der Fall. Hier kommt immer eine Differenzbildung der Nutenflüsse zustande, so daß der resultierende Nutenfluß zwischen zwei Einzeileitern gewöhnlich nur ein kleiner Teil von dem Nutenfluß bei unverschränkten -Leitern ist. Dadurch werden nicht nur die magnetischen Hilfskreise sehr klein, sondern es wird auch die Induktivität der Wicklung merklich verringert.

Betrachten wir zunächst den einfachsten und wichtigsten Fall, bei welchem es sich um eine Einschichtwicklung mit nur einem Leiter in der Nut handelt, dessen Einzelleiter an den Enden jeder Windung leitend verbunden sind. Eine solche Wicklung ist in Fig. 1 für fünf Einzelleiter, die an den Stellen e leitend verbunden sind, dargestellt. Bezeichnet man mit η die

Zahl der Einzelleiter und mit φ^, den Nütenfluß zwischen dem ^-ten und dem (ß-\- i)-ten· Einzelleiter (vom Grunde der Nut aus gezählt), so ist der resultierende Nütenfluß <p'_p einer aus benachbarten Einzelleitern gebildeten Schleife

Wir erhalten also bei der Wicklung nach Fig. i, ίο wenn keine magnetischen Hilfskreise angeordnet werden, die Nutenflüsse'

ΦΊ = — 3Φι..Φ'₂ =—ι Φι. φ'₃= ΐφΊ. Φ'₄ = 3Φι,

während bei der unverschränkten Wicklung die 'entsprechenden Nutenflüsse

.■.ΦΊ = 2φι. Φ'«=4Φι.' Φ'₃ = 6Φι. Φ^^δφ!

2ο betragen. Die resultierenden Nutenflüsse sind also bei verschränkten Wicklungen, wesentlich kleiner als bei unverschränkten Wicklungen ' und daher werden auch die magnetischen Hilfskreise, die entsprechende Flüsse aufnehmen müssen, wesentlich einfacher. Um die zusätzliche Stromwärme zu unterdrücken, können nun die magnetischen Hilfskreise ähnlich wie bei unverschränkten Wicklungen (vgl. Fig. 4 im Hauptpatent 302985) um die Querverbin^

düngen geschlungen werden. Bei der Wicklungsanordnung nach Fig. 1 ließe sich die zusätzliche Stromwärme z. B. unterdrücken, wenn man magnetische Hilfskreise entweder erstens um den Leiter 5 der linken Nut, zweitens um die Leiter 4 und 5 der linken Nut, drittens um den Leiter 1 der rechten Nut und viertens um die Leiter 1 und 2 der rechten Nut, oder erstens um den Leiter 1 der linken Nut, zweitens um die Leiter 1 und 2 der linken Nut, drittens um den Leiter 5 der rechten Nut und viertens um die Leiter 4 und 5 der rechten Nut schlingen würde. Im letzten Falle kann man sogar den gemeinsamen U-förmigen Eisenkörper, wie er zur Ausbildung der magnetischen Hilfskreise nach dem Hauptpatent 302985 (vgl. Fig. 4) zweckmäßig Verwendung findet, ganz entbehren, indem man zwischen den ersten und zweiten und den zweiten, und dritten Einzelleiter Eisenstege innerhalb der Nut. einlegt, so daß der

50/ Anker der Wicklung selbst den U-förmigen Hilfskreis ersetzt. Diese ganz besonders einfache Ausführung der magnetischen Hilfskreise ist in Fig. 1 dargestellt, die Eisenstege sind mit s bezeichnet. Wenn diese so'bemessen werden, daß zwischen dem ersten und zweiten Einzelleiter der Nütenfluß viermal so groß, zwischen dem-zweitenund dritten Einzelleiter einundeihhalbrnal sojgroß wird wie bei der Wicklung ohne magnetische. Hilfskreise, dann sind die re'sul-

60, tierenden. Nütenflüsse Null und'die zusätzliche Strom wärme ist unterdrückt.' Die Dicke und die (senkrecht zur Zeichenebene gemessene) Länge der Eisenstäbe s wird gewöhnlich durch die noch zuzulassende magnetische Beanspruchung in- den Stegen bestimmt, während die Breite so.zu bemessen ist, daß gerade der richtige Nütenfluß durch die Durchfluturig der unter dem Eisensteg liegenden Leiter erregt wird. Bei ■ merklicher Dicke der Eisenstege s empfiehlt es sich, diese zur Unterdrückung der Eisenwärme zu unterteilen. -'./..... ■

Diese Ahprdnung · der; magnetischen Hilfskreise bei verschränkten Leitern läßt sich ohne ■ weiteres auf Wicklungen mit mehreren überein- , .ander liegenden Leiterschichten anwenden. Von besonderer praktischer Bedeutung ist die Zweischichtwicklung, wie sie gewöhnlich für Gleichstromanker ausgeführt wird. Die Wicklung ist in Fig. 2 schematisch dargestellt, und zwar beispielsweise für die Anordnung der magnetischen. Hilfskreise im Innern der Nut unter Vermeidung besonderer U-förmiger Hilfskörper. Die Eisenstege brauchen hier nur in der Unterschicht . angeordnet zu werden, sie sind in der Figur wieder mit s bezeichnet.

Sowohl bei der Einschichtwicklung wie auch bei der Mehrschichtwicklung ist die induktive Spannungskomponente derVerschränkten Wicklung wesentlich geringer als die der unverschränkten Wicklung. Die innere Induktivität im Nutenraum beträgt z. B. bei der verschränkten Einschichtwicklung mit magnetischen Hilfskreisen nur etwa ein Viertel der entsprechenden Induktivität einer unverschränkten Wicklung.

Wenn die Einzelleiter erst an den Enden der Wicklung oder der Wicklungszweige leitend verbunden werden, können die magnetischen Hilfskreise auch außerhalb der Maschine angeordnet werden. In diesem Falle, der allerdings aus baulichen Gründen seltener in Frage kommt, ist es zweckmäßig, als Hilfskreis einen gewöhnlichen Transformatorkern zu wählen und jeden oder einen Teil der Einzelleiter um den Kern des Transformators in passender Windungs-, zahl herumzuführen. Die Windungszahl ist für die Einzelleiter im, allgemeinen verschieden und läßt sich in jedem Falle leicht bestimmen. Es muß die Differenz der Spulenflüsse (Produkt aus Transformatorfluß und Windungszahl)zweier übereinanderliegender Einzelleiter gleich dem gesamten Fluß sein, der zwischen diesen Einzelleitern durch die Nutenräume der Maschine tritt. Dabei kann der Spulenfluß in jedem der Einzelleiter ■ noch willkürlich gewählt werden.. In Fig. 3 ist z. B. eine unyerschränkte Wicklung mit drei': parallel geschalteten Einzelleitern dargestellt in Verbindung mit einem außerhalb der Maschine liegenden. Transformator t. Hierbei ist der Spulenfluß· im ersten Einzelleiter Null, dieserEinzelleiter ^a]SO nicht um,den. Kern.

des Transformators t geschlungen. Der zweite Einzelleiter ist mit einer Windung, der dritte Einzelleiter mit drei Windungen um den Eisenkern geschlungen. In diesem Falle werden die Induktivitäten der Einzelleiter nur. erhöht,. Bei passender Einstellung des Luftspaltes im Transformator erhalten alle Einzelleiter dieselbe Induktivität, und damit wird die zusätzliche Stromwärme Null. .

ίο Die Leistung des Transformators wird bei unverschränkten Wicklungen ein Minimum, wenn bei gerader Zahl der Einzelleiter der mittlere Einzelleiter, bei gerader Zahl der,

: Yl- Yl-

Einzelleiter entweder der —te oder der (—-f- i)-te 2. ■ . . ■ ^V2.·' .' ■

Einzelleiter nicht um den Transformatorker.n geschlungen ist. Bei drei Einzelleitern erhält man den in Fig. 4 dargestellten Hilfstransfor^ mator, wobei der dritte Einzelleiter mit zwei Windungen und der erste Einzelleiter mit einer Windung, aber im entgegengesetzten Sinne wie der dritte Einzelleiter um den Eisenkern gewickelt ist. Bei demselben Induktionsnuß im Transformatorkern ist hier die gesamte Windungszahl nur drei Viertel der gesamten Windungszahl der Fig. 3 und in demselben Verhältnis stehen auch die Leistungen, für die die Hilfstransformatoren zu bemessen sind. In diesem Falle werden die Induktivitäten, eines Teils der

3o_: Einzelleiter verringert..

Bei den Anordnungen: in Fig. 3 und 4 erregt die resultierende Durchflutung der Einzelleiter bei passendem Luftspalt im Transformatorkern einen solchen Induktionsfluß, daß alle Einzel-

35. leiter, dieselbe Induktivität erhalten. Vergrößern . wir dagegen die Windungszahl des

• ersten Einzelleiters, im Transformatpr, ■ dann ändert die resultierende Durchflutung ihr Vorzeichen und es muß noch eine besondere Wicklung w (Fig. 5), die vom gesamten Strom durchflossen wird, um den Eisenkern geschlungen werden.

, Auch diese- magnetischen Hilfskreise können in ihren Abmessungen wesentlich verringert 'werden,, wenn die Wicklung in jeder Querverbindung oder an irgendeiner Stelle des Wi'cklungszweiges, zweckmäßig in der Mitte, verschränkt wird. Der Hilfstransformator braucht dann, wie eine besondere Untersuchung ergibt, nur für etwa ein Viertel der Leistung bemessen werden, wie bei einer unverschränkten Wicklung· . , . .

Die Induktivität im Nutenraum wird bei der Ausführung der magnetischen Hilfskreise als

5.5 Transformatorkern um so kleiner, je kleiner der algebraische Wert des Spulenflusses des ersten Einzelleiters im Transformator ist. Da aber für einen bestimmten Wert dieses Spulenflusses die resultierende Durchflutung Null wird, empfiehlt es sich, die Anordnung so zu wählen, daß die resultierende Durchflutung immer positiv bleibt. Dies ist im allgemeinen der Fall, wenn der Hilfstransformator für die kleinste Leistung bemessen wird (Fig. 4). Die Induktivität im Nutenraum. beträgt dann, bei unverschränkten Wicklungen nur etwa ein Viertel der entsprechenden Induktivität der Wicklung mit magnetischem Hilfskreise in den Querverbindungen (entsprechend Fig. 4 des Hauptpatentes 302985).

Die Windungszahlen, mit denen die Einzelleiter um den Transformatorkern zu schlingen sind, können nach der allgemeinen Formel ■: :

bestimmt werden, worin \\/_ρ wieder den resultierenden Nutenfluß zwischen dem 'fi-ten und dem (p + i)-ten Einzelleiter, ψ_ρ den Spulenfluß -des ^ ten Einzelleiters, und ψρ + χ/ den Spulenfluß des (/>-(- i)-ten Einzelleiters im Hilfstransformator bedeutet..

Die Erfindung ist nicht auf Nutenwicklungen beschränkt, sondern läßt sich- sinngemäß auf andere Wicklungen, ζ. Β. für Transformatoren und Drosselspulen, übertragen. Dabei ist nur zu beachten, daß mit: Rücksicht auf den Verlauf der Streulinien bei Zylinderwicklungen die radialen Abmessungen mit der Nutentiefe und die. achsialen. mit der Nutenbreite und bei Scheibenwicklungen die achsialen Abmessungen mit der Nutentiefe und die radialen mit der Nutenbreite zu vergleichen sind.

Die außerhalb der Wicklung in Form von besonderen Tfansformatorkernen angeordneten' Hilfskreise lassen sich ohne weiteres auch bei Drosselspulen und Transformatoren verwenden, ' nur gestaltet sich die Berechnung der magnetischen Hilfskreise nicht ganz so einfach wie bei den Nutenwicklungen, weil der Verlauf der Streulinien weniger übersichtlich ist. Die Induktionsflüsse in den magnetischen Hilfskreisen brauchen, aber nur annähernd bemessen zu werden, denn selbst bei einer Abweichung von etwa +30 Prozent vom richtigen Wert wird die zusätzliche Stromwärme gewöhnlich schon auf den zehnten Teil verringert. .

Die innerhalb der Wicklung angeordneten magnetischen Hilfskreise lassen sich bei Drosselspulen und, Transformatoren auf mannigfache Weise gestalten, es ist nur, wie bei den Nutenwicklungen zu beachten, daß die magnetischen Hilfskreise so mit den einzelnen Wicklungsteilen verkettet werden, daß alle parallel geschalteten Leiterteile möglichst dieselbe Induktivität erhalten. Die Ausführung der Hilfs-115 kreise wird sich im wesentlichen nach dem. Aufbau der Spulen und des gegebenen Falles vorhandenen Eisenkerns richten. Im Prinzip ist die Ausbildung der Hilfskreise auch für verschränkte Wicklungen durch: Fig. Z im Haupt- iac

patent 302985 gegeben. Man wird aber auch bei den Spulenwicklungen gern die einfachen Blechstreifen für die magnetischen Hilfskreise bevorzugen. "Ein Ausführungsbeispiel ist hierfür in Fig. 7 dargestellt. Es handelt sich hier um eine einfache Zylinderwicklung mit der Primärwicklung α und der Sekundärwicklung b, die konzentrisch um den Eisenkern e gewickelt sind. Die Wicklung α besteht aus vier, die Wicklung b aus fünf übereinanderliegenden Einzelleitern, die an den Enden der Wicklung leitend verbunden sind. Beide Wicklungen enthalten in jeder Lage acht nebeneinanderliegende Leiter, die entweder in Reihe oder parallel geschaltet sein können.

Von besonderer praktischer Bedeutung ist die Parallelschaltung aller nebeneinanderliegender Leiter. Durch Vergleich der Streufelder einer Nuten wicklung und einer Transformator-Zylinderwicklung (vgl. Arch. f. EL, Bd. II, S. 112

und 113) erhält man in Übereinstimmung mit Fig. ι die Anordnung der magnetischen Hilfskreise s nach Fig. 7, wenn die Einzelleiter in der Mitte des Wicklungszweiges verschränkt werden. Die magnetischen Hilfskreise s sind entsprechend der Fig. 1 auch hier als einfache Eisenstege angedeutet. In Wirklichkeit kann die Ausführung der Eisenstege jedoch wesentlich von dem Beispiel in Fig. 7 abweichen. Besonders wird es sich häufig empfehlen, die achsiale Länge der Eisenstege zu kürzen, weil sich sonst im mittleren Teil der Eisenstege eine beträchtliche Sättigung ergeben würde.

Auch bei Transformatoren und Drosselspulen kann dabei die an sich bekannte Verschränkung des Leiters verwendet werden, und zwar innerhalb jeder Spule oder bei Wicklungen mit mehreren Spulen auf jedem Kern auch beim Übergang von einer Spule zur anderen. Am einfachsten ist es, gleichfalls in an sich bekannter Weise die Verschränkung beim Übergang von einem zum anderen Eisenkern vorzunehmen. In diesem Falle vertauschen sich nämlich die äußeren und inneren Leiter, ohne daß eine Verdrillung sichtbar zum Ausdruck kommt; so ist z. B. der Leiter 1 auf dem linken Eisenkern der Fig. 6 der innere, auf dem rechten Kern dagegen der äußere Einzelleiter.

Die Einzelspulen können sowohl parallel wie . in Reihe geschaltet werden.·-Beim Ausführungsbeispiel Fig. 7 sind nur Endspulen vorhanden; bei Zwischenspulen ist zu beachten, daß die Induktion von der Mitte des Querschnitts nach außen zu anwächst; jede Spulenhälfte ist deshalb so z-u behandeln wie eine Endspule. Die magnetischen Hilfskreise brauchen natürlich nur bei den Spulen angeordnet zu werden, in denen die zusätzliche Stromwärme sonst unzulässig hohe Werte annehmen würde.

In den Beispielen sind die magnetischen Hilfskreise teilweise durch einfache Blechstreifen gekennzeichnet. Je nach Bedarf können sie natürlich auch in anderer Weise ausgebildet werden, wobei man solche Kreise bevorzugen wird, die den Hilfsflüssen einen bestimmteren Verlauf vorschreiben, als es zuweilen bei den einfachen Blechstreifen, ζ. B. nach Fig. 7, möglich ist. Die Erfindung gilt für jede beliebige Ausbildung der Hilfskreise.

Die Verschränkung kann auch bei allen hier angeführten Beispielen in irgendeiner anderen Weise erfolgen, wenn nur dadurch eine Verringerung der Wirbelstromwärme gegenüber der unverschränkten Anordnung eintritt; äußerlich kommt eine solche Verschränkung nicht immer zum Ausdruck. Die Einzelleiter können auch Litzen sein.

Claims (7)

Patent-Ansprüche:

1. Einrichtung bei elektrischen Wicklungen zur Verhinderung oder zur Verringerung des Effekts der-Stromverdrängung nach Patent 302985, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelleiter in beliebiger Weise verdrillt oder verschränkt sind, oder ' daß bei verdrillten oder unverdrillten Leitern die magnetischen Hilfskreise durch einen Transformatorkern gebildet werden, um den alle Einzelleiter oder ein Teil der Einzelleiter geschlungen werden, zu dem Zwecke, die induktive Spannungskomponente der Leiteranordnung zu verringern oder die magnetischen Hilfskreise zu vereinfachen.

2. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß bei Nutenwicklungen die magnetischen Hilfskreise durch einfache Blechstreifen, die innerhalb der Nuten zwischen den Einzelleitern liegen, gebildet werden.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Hilfskreise durch einen zweckmäßig mit Luftspalt versehenen, außerhalb der Wicklung angeordneten Transformatorkern gebildet werden, um den Einzelleiter geschlungen sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelleiter so um den Transformatorkern geschlungen sind, daß die Induktivitäten eines Teils der Einzelleiter verringert werden, wodurch der ,Hilfstransformator kleiner wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungszahlen der Einzelleiter so bemessen sind, daß die resultierende Durchflutung auf dem Transformatorkern immer einen Fluß im richtigen Sinne erregt, so daß eine besondere Erregerwicklung entbehrlich ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch iao

gekennzeichnet, daß die magnetischen Hilfskreise innerhalb der Wicklung bei Drosselspulen oder- Transformatoren mit Zylinderwicklungen im wesentlichen achsial, bei Scheibenwicklungen im wesentlichen radial verlaufen.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch "gekennzeichnet, daß bei Transformatoren und Drosselspulen die Verschränkung beim Übergang von einem Kern. zum anderen stattfindet, wobei die Verdrillung äußerlich nicht zum Ausdruck zu kommen braucht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.