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Stabwicklung für elektrische Maschinen. Die Erfindung betrifft eine
Stabwicklung für elektrische Wechselstrommaschinen, die aus einer Anzahl parallel
geschalteter gegeneinander isolierter Einzelleiter besteht und bei der durch Lagenwechsel
der Einzelleiter die Entstehung von Streuspannungen vermieden wird. Daß es hierbei
zweckmäßig ist, jeden Einzelleiter im Zerlaufe einer Wicklung alle Höhenlagen der
-Nut durchlaufen zu lassen, ist bekannt. Während die praktische Anwendung dieses
Prinzips für L itzenwicklungen und Seilstäbe keine Schwierigkeiten bot, war es nicht
ohne weiteres möglich, für steife Stäbe eine Konstruktion zu finden, die zugleich
in elektrischer und fabrikatorischer Beziehung einwandfrei ist. Für Stabwicklungen
mit aus flachen Lamellen bestehenden Einzelleitern ist eine befriedigende Lösung
nur in der Form gefunden «-orden, claß der Stab in zwei nebeneinanderliegenden Schichten
aufgebaut ist, wobei die Einzelleiter an den Wechselstellen von einer Schicht in
die andere übergehen. Dagegen wird durch vorliegende Erfindung eire Stabwicklung
geschaffen, die auch aus flachen Teilleitern, aber nur einschichtig aufgebaut ist
und allen Anforderungen in elektrischer und praktischer Hinsicht genügt. Dies ist
im wesentlichen dadurch erreicht, claß die Einzelleiter bis zur Wechselstelle und
hinter derselben, flachkant liegend, alle in Richtung ein und derselben Diagonale
des Nutenlängsschnittes verlaufen, an den Wechselstellen aber ein den Lagenwechsel
herbeiführende, durch Biegen oder Falten des Einzelleiters entstandenes Überführungsstück
an den Kanten der übrigen Teilleiter flachkant vorbei auf kürzestem oder nahezu
kürzestem Wege von olka nach unten geführt ist. Jeder Teilleiter hat hierbei nur
eine einzige Krüpfun-sstelle. Der so aufgebaute Wicklungsstab hat einerseits gegen
über dein zweischichtigen ,tab den Vorzueiner geringeren "Zahl von Einzeleleincntcn
und der Verwendbarkeit auch für schmälere Nuten; insbesondere entfällt die -Notwendigkeit
einer Isolierung zwischen den beiden Schichten. Anderseits hat der vorliegende Wicklungsstab
gegenüber anderen den Vorzug des günstigsten Ausgleichs der sonst vielfach nicht
miteinander zu vereinbarenden Rücksichten gleichzeitig auf elektrische Spannungserscheinungen,
mechanische Herstellung, Ausnutzung des 1TUtquerschnittes, Isolierung und Wirtschaftlichkeit.
Bei der vorliegenden Stabwicklung ist diejenige Verringerung der Stärke der Einzelleiter.
die durch die notwendigen Umfaltungen bzw. Umbiegungen bedingt ist, zugleich diejenige,
die praktisch genügt, Streuspannungen innerhalb der Stärke eines Einzelleiters außer
acht lassen zu können. Der geringe Raumbedarf der flach geführten Überführungsteile
an den Wechselstellen im Vergleich zur Gesamtbreite des Stabes erlaubt gute Ausfüllung
der Nut und einfache Isolierung. Breite und Höhe brauchen auch nicht, wie bei einen
anderen bekannten einschichtigen Stab, in einem bestimmten Verhältnis zueinander
zu stehen. Die Anordnung nach der Erfindung gestattet außerdem besonders günstige
Ausführungsformen; sie ergibt die Möglichkeit, einen Teilleiter gerade durchlaufen
zu lassen und diesem einen stärkeren Querschnitt zu geben, womit die Festigkeit
des ganzen Stabes erhöht wird. Durch Einkerbungen bzw. Aussparungen der Einzelleiter
an den Wechselstellen, in welche die flachen Überführungsteile eingelegt werden
und die den Leitungsquerschnitt der Einzelleiter nicht wesentlich schwächen, kann
der Stab im Bedarfsfalle eine völlig Prismatische Gestalt erhalten, welche die \
ut völlig ausfüllt.
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Auf der Zeichnung ist in AM). r und a schaubildlich und im
Querschnitt ein Ausführungsbeispiel dargestellt; Abb. 3 bis ; zeigen das Un ibiegungsverf:;hrcn
für einen einzelnen Teilleiter; Abb. 8 und 9 zeigen eine Variante;
Abb.
io bis r2 zeigen zwei weitere Ausführungsarten.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach abb. i und 2 besteht die Stabwicklung
aus 8 Teil-Leitern a1 bis a$ flach rechteckigen Querschnitts, die durch Papier,
Baumwolle, hLikanit o. d23-i. isoliert übereinandergeschichtet sind. Wesentliche
Vorteile ergeben sich in manchen Fällen dadurch, daß ein Isolierlack verwendet wird,
der bei genügend hoher Temperatur und gebotenenfalls auch starkcin Druck ein Zusammenbacken
der einzelnen Teilleiter bewirkt. Ebenso können mit Emaillelack isolierte Leiter
oder, bei Verwendung von Aluminium,' oxydierte Teilleiter benutzt werden. Der Stab
zeigt sieben Wechselstellen b1 bis V. Der Teilleiter al, der im ersten Abschnitt
an oberster Stelle liegt, nimmt in i zweiten Abschnitt zwischen den Wechselstellen
bi und bz die zweitoberste, zwischen den Wechselstellen b= und
b° die drittoberste Stellung ein usw., im letzten Abschnitt die unterste
Stellung ein-. der im ersten Abschnitt zweitoberste Stala a2 nimmt im zweiten Abschnitt
zwischen b1 und b2 die drittoberste Stellung ein usw. Der im ersten Abschnitt unterste
Stab a3 ist an der Wechselstelle b1 nach oben geführt und trimmt im zweiten Abschnitt
zwischen b1 und b2 die oberste Stellung ein; der im zweiten Abschnitt unterste Stab
a' ist an der Wechselstelle b2 nach oben geführt und nimmt im dritten Abschnitt
die oberste Stellung ein usw. Auf diese Art nimmt innerhalb der von c bis u' reichenden
-Nut jeder der acht Stäbe auf einem glcicbenL ängenabschnittjede der acht verschiedenen
Schichthöhen ein, Die Überführung des jeweils untersten Stabes nach oben an den
Wechselstellen ist durch Umbiegung nach Abb. 3 bis 7 erreicht. Jeder Stab erhält
an d-er der zugehörigen Wechselstelle entsprechenden Stelle seiner Länge eine Z-förmige
Kröpfung nach Ahh. 3, derart, daß der Mittelschenkel e eine Länge l bekommt,
die der Stärke von siebenTeilleitern entspricht. Abb. 4. ist eine Seitenansicht
von Abl. 3. Der nach Abb. 3 und 4. hochkantig gekröpfte Stab erhält nunmehr Unibiegungen
uni die flache Kante entsprechend Abb. 5 his 7. Der Schenkel f wird um die punktiert
angedeutete Achse g, der Schenkel h. um die punktiert angedeutete Achse i rechtwinklig
umgebogen, und zwar beide nach der gleichen Richtung, wie am besten Abb.7 zeigt.
Diese so gelogenen Einzelstäbe a1 bis a` ergehen zusaminengeschachtelt den in Abb.
i und 2 dargestellten Stab.
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Es zeigt sich, daß der Stab a1, welcher im ersten Abschnitt zu oberst
und im letzten Ab-
schnitt zu unterst liegt, keiner Kröpfung zur tberführung
bedarf. Dieser Stab kann also stärker ausgeführt werden als die übrigen, wenn in
besonderen Fällen eine Versteifung erwünscht ist.
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Bei dem in -Abb. i und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel treten
die Schenkel e, die an den Kanten der übrigen Teilleiterstäbe flach vorbeiführen,
seitlich aus dein Stab heraus. Um dies zu vermeiden und auch einen auf der Seite
glatten Stab hervorzubringen, können die einzelnen Teilleiter zweckmäßig mit Aussparungen
entsprechend Abb.8 versehen werden. Werden die Teilleiter, welche mit solchen Aussparungen
an den entsprechenden Stellen versehen sind, aufeinandergeschichtet, so ergeben
sich seitliche Nuten, die senkrecht oder schräg zur Längsrichtung des Stabes gerichtet
sind und in denen die Überführungsstücke e der Teilleiter isoliert lagern können.
Dies ist in Abb. 8 und 9 durch Horizontalschnitt und O_uerschnitt B-B eines mit
solchen Nuten versehenen Stabes in vergrößertem Maßstake dargestellt. Der Stab selbst
ist. mit a, die Nut mit in, der in der Nut gelagerte Überführungsschenkel
wieder_un mit e bezeichnet.
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Abb. io und 12 zeigen schaubildlich die Gesamtansicht und einen einzelnen
Teilleiter für eine abweichende Ausführungsart, die sich für solche Fälle eignet,
wo sehr dünne Teilleiter verwendet werden. In diesem Falle kann die Überführung
von unten nach oben an den Wechselstellen durch Umfaltung statt durch Umbiegung
der einzelnen Stäbe, wie in Abb. 3 bis 7 dargestellt war, erreicht werden. Hierbei
wird der von oben nach unten bzw. von oben nach unten seitlich an den Kanten der
übrigen Teilleiter vorbeizuführende Teilleiter a. längs einer schrägen Kanten
um einen Winkel von 36o1 umgefaltet und dann längs einer Kante o uni einen Winkel
von 9o1 abgebogen, wodurch in der Wirkung die Teiche Anordnung wie hei dein ollen
beschriebenen Ausführungsbeispiel entsteht.
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Das obige :Verfahren läßt sich auch auf solche I\Ticklungeii amtenden,
bei denen clie parallel geschalteten Teilleiter innerhalb zweier oder mehr als zwei
Nuten isoliert gehalten werden müssen. Anstatt nämlich die LagenwechseI innerhalb
einer jeden Nut vorzunehmen, kann man sie gleichmäßig auf die Länge einer ganzen
Phase verteilen und kann sie außerhalb der Nut stattfinden lassen, sobald man nur
dafür Sorge trägt, daß die Zahl der in Reihe geschalteten \Ttiten durch die Zahl
der Teilleiter teilbar ist.
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Hat z. B. der Ständer eines Drehstromgenerators Co 'Tuten und zwei
Leiter in jeder Nut, und sind sämtliche Leiter einer Phase in Reihe geschaltet,
so kann nian einen Leiter aus 1o oder 2o Teilleitern anfertigen und kann mithin
einen Lagenwechsel nach jeder
rollen Windung vornehmen. Bei io Teilestern
wird man schon nach Durchlaufen der falben Länge einer Phase die Teilleiter kurz-;chließen
können, während nian bei 2o Teilestern ein Kurzschließen der einzelnen Teileiter
nur am Anfang und am linde einer eden Phase vorilehmen darf.
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Ausführungsarten dieses Lagerwechsels sind in den Abb. 13 und 14:
dargestellt. In -#bb.13 tritt der Lagerwechsel gleich nach lem Verlassen der mit
ein, in Abb. i -t an !iner beliebigen Stelle tillaefähr in der Mitte les Wickelkopfes.
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In allen diesen Beispielen ist jeweils nur ler Lagerwechsel eines
einzig°n Teilleiters =orgenommen. Die Erfindung läßt sich aber euch auf den Lagerwechsel
von gleichzeitig nehreren (u) Teilleitern ausdehnen, z. B. von :wes Teilleitern,
wie in Abb. 12 ersichtlich st, mir muß die Zahl der Teilleiter eines .eiters, wenn
alle Lagerwechsel gleichmäßig ;ein sollen, teilerfremd mit u sein. Sieht ran aber
von der Bedingung ab. daß alle -agenwechsel gleichmäßig sein sollen, so tann man
irgendeinen Wert von .u annehmen, wenn man nur dafür Sorge trägt, daß der Ceilleiter
nacheinander sämtliche möglichen Stellungen durchwandert.
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Im obigen Beispiel mit 6o Nuten und o Teilleitern kann null nach jeder
Windung lrei Teilleiter zum Wechsel der Lage bringen. --in Teilleiter durchläuft
dann hintereinander üe Lagen i, @., 7 , lo, 3, 6, 9, 2, 5 und B. Xese
Anordnung ist zwar mechanisch etwas imständlicher, bietet aber in elektrischer 3insicht
Vorteile. Tritt nämlich zwischen lenachbarten Teilleitern ein Isolationsfehler auf,
so ist der entstellende Ausgleichstroni bei ler letzten Anordnung, wo z. B. der
Teilleiter schon die Lagen i, .I und ; durchlaufen hat, ranz wesentlich geringer,
als wenn er die .agen 1, 2 und 3 durchlaufen hätte. Auch st die Möglichkeit von
Isolationsfehlern weit ;eringer, weil auch die größten örtlichen Spannungen kleiner
sind.
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Dieses Verfahren läßt sich auch sinngemäß auf andere Arten von Stirnverbindungen
allvenden, wie an dein Beispiel eines Drehstroni-;enerators mit 6o -Nuten und Evolventen-,vicklung
als Stirnverhindung gezeigt wellen soll.
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Ein Stab in jeder -Nut, 2o Teilleiter auf eden Stall. Ausführung der
\@'icl;ltinr nach 3volventenart in -zwei Eheren. I _,ircnivechsel ,roten nur auf
einer Stirnsehe ein. Der )berste Teilleiter durchläuft in diesem halle iacheinander
die Stelltilig;n 1, 20, 2, 19. 3, 18 isw., weil bei dieser Wicklung bei jeder salben
Winduni eine Verdrehung von 18o` stattfindet. Die Teilleiter kihinen schon nach
to vollen Windungen kurzgeschlossen -werden. ZZ'ird aber eine Wicklung angewandt,
in der eine Verdrehung von i8o° nicht stattfindet, so kann jetzt bei Anwendung der
Lagenwechsel auf nur einer Seite ein Kurzschließen erst nach 2o vollen Windungen
erfolgen, denn der Teilleiter durchläuft die Stelh111gen 1, i ; 2, 2 ; 3, 3 usW.
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.Man kann aber hier die Lagerwechsel auf leiden Seiten anwenden und
erhält dann . nacheinander die Stellungen i, 2, 3 usw., wobei dann schon nach io
Windungen Ausgleich I erreicht worden ist und die Teilleiter kurzgeschlossen werden
können.
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Befinden sich in einer -Nut drei Leiter von j e i o Teilleitern, so
kann man nach jeder '\ITindung einen Lagerwechsel eintreten lassen, und bezeichnet
man den obersten Leiter mit a, den zweiten mit b, den dritten mit c, so durchwandert
der Teilleiter die folgenden Stellungen al, b2, c3, a2, b3, c4 usw.
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-Nach 30 vollen Windungen hat ein jeder Teilleiter sämtliche
möglichen Lagen durchwandert.
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Den gleichen Zweck würde man auch erreichen, «wenn ein Lagerwechsel
nach jeder dritten Windung eintritt, wobei dann ein Teilleiter die Lagen a1, b1,
cl, a2, b2, c2 usw. durchwandert.
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Eine besondere Betrachtung verdient die Anwendung obigen Gedankens
auf Wicklungen mit verkürztem und solche mit v erlängertein Schnitt. Der einfachste
Fall ist hierbei ein @j'ickelschritt von 2@3 T bei Drehstromgeneratoreil (- - Polteilung)
und von 1/2 z- bei Zweiphasenniaschinen. In jeder Nut liegen dann zwei verschiedene
Phasen, und sämtliche Windungen einer Phase sind gleichwertig. Wir erhalten bei
dem als Beispiel gewählten zweipoligen Drehstromgenerator mit 6o Nuten und zwei
Leitern in jeder Nut einen vollständigen Ausgleich, wenn ein Lagerwechsel nach jeder
vollen Windung stattfindet, wobei der Leiter aus 2o oder io oder fünf oder vier
Teilleitern bestehen kann..
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Weicht aber der Wickelschritt von T und 2/, T bei Drehstrormnaschinen
und voll r und alle Windungen einer Phase in bezug auf die
hei Zweiphasenmaschinerl ab. so sind nicht Streuspannung als gleichwertig anzusehen,
sondern es müssen (--rl. das Schema Abb. 15) zwei Gruppen <-1 und B' j edel Phase
unterschieden -werden. und es kann ein volllconimener Ausgleich ins allgemeinen
nur dann erreicht --erden, wenn jeder Teilleiter eine jede ni<igliche Lage sowohl
in der Gruppe.--1 wie in der Gruppe H durcheilt. I?s sei z. B. der zweipolige Drehstroin-enerator
mit 6o Nuten, zwei .Leitern in jeder -Nut und einem Wickelschritt von 25 (also Nut
i auf Nut 26) auszuführen. Aus Abb. 15 ist zu erkennen, daß
die
Leiter i bis 5 nicht gleichwertig sind mit den Leitern 6 bis io, soweit die Größe
und Phase der Streuspannung in Betracht kommt, denn in der ersten Gruppe lieben
unten Leiter, die der Phase I angehören, und in der zweiten Gruppe solche, die der
Phase 11 angehören. Es wurden beispielsweise io Teilleiters auf jeden Leiter verwendet
und nach jeder @,#,'indung zweiLagenwechsel in derllitte einer Phase bewerkstelligt,
also nach io Windungen drei Lagenwechsel. Der oberste Teilleiter der -Nut i durchläuft
zunächst die Lagen i, 3, 5, i, 9, und zwar sowohl für die \ttten i bis 5 als auch
für die Nuten 6 bis io und dann die Lagen 2, 4., 6, 8 und io, und zwar sowohl für
die Nuten 31 bis 35 wie für 36 bis 4o. Wenn also die einzelnen Teilleiter nur aill
Anfang und ain Ende einer Phase kurzgeschlossen «-erden, so wird ein vollkommener
Ausgleich erreicht, weil ein jeder Teilleiter eine jede mögliche Lage ,in der Gruppe
%1 und auch in der Gruppe B innegehabt hat.
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Dieses -\'erfahreil läßt sich auch sinngemäß auf andere Wickelschritte
übertragen.
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Nach Erkennen der zum vollen Ausgleich erforderlichen Vorkehrungen
kann man in der Praxis öfters auch Abweichungen zulassen, torausgesetzt, daß sie
sich von dem vollkornillenen Ausgleich nur wenig entfernen.
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Erscheint es bei breiten Nuten Wünschenswert, die Teilleiter in der
Breite zu halbieren, so können entweder zwei nach den Abb. i bis io geschichtete
Stäbe neberleinandergelegt werden, wobei die seitlichen Vorsprünge, wenn-sie nicht
nach Abb.8 eingelagert sind, gegeneinander versetzt werden, oder es erfolgt ein
Schichten der (statt .in C-) ,in j-Folm nach Abb. 16 umgelegten Teilleiter.