DE681320C - Wechselstromwicklung, insbesondere Stabwicklung, fuer elektrische Maschinen - Google Patents

Description

Eine in elektrischer und konstruktiver Hinsicht besonders günstige Art der Wechselstromwicklungen sind die Zweischichtstabwicklungen insbesondere dann, wenn diese Wicklungen als Wellenwicklungen ausgeführt werden. Das Bestnebejn geht deswegen dahin, wo irgend angängig, solche Wicklungen anzuwenden. Das Anwendungsgebiet ist indessen dadurch stark begrenzt, daß es sich auf Reihen- und ganzzahlige Parallelschaltungen beschränkt. Theoretisch wäre es wohl auch in manchen anderen Fällen noch möglich, zu der gewünschten Zweischichtstabwicklung zu kommen.

»5 Dann stehen aber oft Gründe praktischer Art entgegen. Mit Rücksicht auf die zulässigen . Erwärmungen darf ein bestimmtes Stromvolumen pro Nut nicht überschritten werden. Aus isolationstechnischen, konstruktiven und fabrikatorischen Gründen darf auch die Nutteilung nicht zu fein gewählt werden, ganz abgesehen davon, daß mit steigender Stabzahl auch der Preis der Maschine ungünstig beeinflußt wird.

as So kann z. B. der Entwurf einer Maschine dahin führen, daß bei der günstigsten Nutenzahl und der gegebenen Leiterzahl die Leiterzahl je Nut eine gebrochene Zahl wird. Z. B. kann bei einer gegebenen Leiterzahl von 90 Leitern die günstigste Nutenzahl 60 betragen. Das bedeutet 1,5 Liter je Nut. Bei Anwendung der üblichen Reihen- oder Parallelschaltung wäre eine solche Wicklung als Zweischichtwicklung nur ausführbar mit 6 Leitern je Nut und vierfacher Parallelschaltung. Das würde aber zu einer Spulenwicklung führen, die eine große Zahl von Schaltverbindungen zwischen den Einzelspulen und zwischen den Spulengruppen der einzelnen Polteilungen sowie infolge der vierfachen Parallelschaltung 4 bzw. 6 Ringleitungen (je nachdem der Nullpunkt verkettet oder unverkettet ist) erhalten müßte. Um auf die vorteilhaftere Zweistabwicklung ohne Schaltverbindungen und Ringleitungen zu kommen, könnte man zwar die Nutenzahl von 00 auf 45 Nuten verringern, so daß dann die Leiterzahl je Nut 90 : 45 = 2 wird. Dann kann aber in gewissen Fällen das Stromvolumen je Nut die zulässige Grenze überschritten haben, so daß diese Wicklung nicht ausführbar ist.

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

DipL-Ing. Karl Kunoth in Berlin-Spandau.

Man könnte auch auf eine feine Nutung mit 90 Nuten und 90 : 90 = 1 Leiter je Nut ausgehen, was zu einer einfachen Einstabwicklung führen würde. Dem steht aber entgegen, daß durch die feine Nutung der Isolationsaufwand erhöht und die Ausnutzung der Maschine verschlechtert wird.

In vielen Fällen wurde daher auf die günstigste Wicklungsart verzichtet und die oft erheblichen Nachteile der beschriebenen Ersatzlösungen wurden notgedrungen in Kauf genommen. Durch die Erfindung wird nun das Anwendungsgebiet der begehrten Stabwicklungen in erster Linie erheblich erwei-'5 tert. In manchen Fällen kann sie aber auch mit Vorteil für Spulenwicklungen angewendet werden sowie sie auch für Einschichtwicklungen'und auch für Schleifenwicklungen zu gebrauchen ist. Die Erfindung besteht darin, daß je Phase Wicklungsteile in Gruppen hintereinandergeschaltet werden, die aus der Zahl nach voneinander verschiedenen parallelgeschalteten Zweigen bestehen. Die Zweige können aus mehreren hintereinandergeschalceten Wicklungsteilen zusammengesetzt sein. Als Vorteile gegenüber einer bisher üblichen Spulenphasenwicklung mit mehrfacher Parallelschaltung und Sämmelringen ergeben sich eine erhebliche Kupferersparnis, Verbilligung der Wicklungseinlegung, da hierfür ungelernte Kräfte verwendet werden können, Verkürzung der W'icklungszeit, da die Wicklung einfach und schnell hergestellt werden kann, Verbesserung der Lüftung, dadieWicklung große Zwischenräume aufweist, leichtere Anordnung der Versteifung und hieraus geringere Zusatzverluste, Verkürzung des Wickelkopfraumes und damit Verkleinerung der Abmessungen und schließlich eine höhere Isolationsfestigkeit der Wicklung, da fertige Bügel verwendet werden können, die leichter zu isolieren sind.

Zum leichteren Verständnis der neuen Wicklungsanordnung denke man sich eine Wicklung, jeweils je Phase, in g-Teile aufgeteilt. Von diesen Teilen seien &-Stücke in Reihe zu je einem Zweig zusammengeschaltet. Bisher beschränkte man sich nun darauf,

-£— Zweige von je b hintereinandergeschalteten Teilen parallel zu schalten. Es galt also, die Beziehung -f- = α parallele Zweige, wobei

α immer eine ganze Zahl war. Nach der Erfindung sollen nun alle Wicklungsteile in zwei Gruppen von ^₁ und g₂ Teilen aufgeteilt werden. Die Anzahl der Teile soll in beiden Gruppen dieselbe sein, also g_x = g"₂. Die Spannung e_x eines jeden Teiles ^₁ kann von der Spannung e₂ eines jeden TeHeSg₂ verschieden sein; im allgemeinen wird man auch e_x = e₂ machen. Von den g^-Teilen werden nun je O₁-TeUe in Reihe gelegt und damit a,_x = -|J- Zweige gebildet, die einander parallel

geschaltet werden. In entsprechender Weise verfährt man mit den ^-Teilen und erhält a₂ = -ψ- parallele Zweige. Die a_x parallel

geschalteten Zweige werden nun mit den a₂ parallel geschalteten Zweigen in Reihe geschaltet, wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, die ein Beispiel für g = 12, O₁ = 2, a_a = 3, b_x — 3 und i>2 = 2 gibt. Es ergibt sich dann eine α-fache Parallelschaltung, wobei aber jetzt a keine ganze Zahl mehr ist, sobald a_x ungleich a₂ bzw. b_x ungleich b_s gemacht wird. Für α läßt sich die Gleichung ableiten:

I-+C

c · b₂

Für c = i, wird a = g ■

•, wobei C = -^- ist.

T 8ξ

Der ideelle Strom je Stab ist i,- = —, wenn

/ der Gesamtstrom der Maschine je Phase ist. Somit wir'd das Stromvolumen der Nut bei der Zweistabwicklung:

ζ Τ

Die Ströme in den beiden Stäben sind i'i = — und L = -^. Beispielsweise würde sich für den in Fig. 1 aufgestellten Fall unter diesen Bedingungen ergeben: a = 12 »·

= 2,4, also eine 2,4-fache Parallelschaltung. Durch zweckmäßige Wahl von g, b_i; &₂.und c kann man für α jeden beliebigen Wert Ξ> ι erreichen.

Für a_x ungleich a₂ sind nun die Ströme i'_t und I₂ in den einzelnen Parallelzweigen der beiden Gruppen voneinander verschieden. Aus konstruktiven Gründen kann es zweckmäßig sein, die Querschnitte der' Leiter in beiden Gruppen einander gleichzumachen. Dies be- ■ dingt jedoch einen unnötigen Mehraufwand an Baustoffen. Von diesem Gesichtspunkt aus ist es daher besser, die Querschnitte der Leiter der beiden Gruppen verschieden groß zu machen. Aus elektrischen Gründen werden die Zweige der beiden Gruppen vorteilhaft miteinander verschachtelt. Dies geschieht dadurch, daß die beiden verschiedenen Zweigarten abwechselnd oben und unten in die Nuten eingelegt werden, wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, die in zwei nebeneinanderriegeinden. Nuten eines Eisenabschnitts c je zwei Stäbe verschiedenen Querschnitts zeigt, die zu den beiden Zweigarten gehören.

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Eine besonders günstige Ausnutzung der

Maschine ergibt sich, wenn die Querschnitte der Nutenleiter so gestaltet werden, daß die Höhen der beiden Leiter von verschiedenem Querschnitt, einander gleich sind, wie in Fig. 3 veranschaulicht ist. Durch diese Ausbildung kann die aktive Zahnbreite vergrößert werden.

Bisher war immer vorausgesetzt, daß die

Spannungen e_x und e_% der Einzelteile der bei-

»o den Gruppen phasengleich sind. Dies ist durchaus nicht erforderlich. Für die Parallelschal tverhältnisse ist es ohne Belang, lediglich der Wicklungsfaktor ändert sich. Damit kann aber die neue Schaltung in entsprechender Weise auch für Wicklungen angewendet werden, die nur eine Spulenseite je Nut besitzen. Praktisch werden diese Wicklungen so ausgeführt, daß die Nuten abwechselnd mit Spulenseiten der beiden Zweigarten besetzt werden. Zweckmäßig werden die Querschnitte der Leiter und damit die Nutenabmessungen, wie in Fig. 4 dargestellt, gewählt, wodurch sich eine ähnliche günstige Ausnutzung des aktiven Eisens wie bei der Anordnung nach Fig. 3 ergibt.

Man hat es in der Hand, die Phasendifferenz zwischen e_x und e₂ ^{so zu} wählen, daß eine bestimmte Sehnung erzielt wird.

Zwischen der Nutung und der Zahl der Wicklungsteile besteht eine feste Beziehung. Für Zweischichtdreiphasenwicklungen ergibt

sich mit β

= —

Nuten pro Pol und Phase,

wobei ζ einen solchen Zähler und η einen solchen Nenner bedeutet, daß β ein unechter Bruch wird, und für eine Polzahl 2_p die Beziehung g = ^- Teile pro Phase. Für eine

gewünschte Parallelschaltung ist umgekehrt η sofort vorauszubestimmen. Bei Einschichtwicklungen ist g nur halb so groß; allerdings ist auch das Bedürfnis nach Parallelschaltung auf die Hälfte zurückgeführt.

Durch die Forderung nach abwechselnder Nutbesetzung ist man bei bestimmten Werten für β dazu gezwungen, den Wicklungsschritt der Wellenwicklung auf den beiden Maschinenseiten verschieden zumachen, was bei gleichem β und normaler Wellenwicklung nicht nötig

wäre. Dies ist aber kein bemerkenswerter Nachteil der neuen Wicklung, da eine Verschiedenheit im Wicklungsschritt eine auch bei bestimmten normalen Wellenwicklungen bekannte Erscheinung ist. Bei Schleifenwicklungen ergibt sich der Wicklungsschritt zwangsläufig ,aus der gewählten Sehnung. Aus der Gleichung η — -^-war bereits zuerkennen,

daß die neue Schaltung auch bei Bruchlochwicklungen anwendbar ist. Die Sehnung ist beliebig, wird aber zweckmäßig so gewählt, daß die erforderlichen Schaltverbindungen möglichst kurz werden.

Die neue Schaltung ist in gleicher Weise anwendbar für Einphasen- und Mehrphasenmaschinen.

Von praktischer Bedeutung ist noch der Fall, in dem statt nur zweier Stäbe je Nut ein dritter Stab je Nut vorgesehen wird, und zwar von der Gattung, die von dem kleineren Teilstrom durchflossen wird. Die Stäbe mit dem kleineren Teilstrom haben beispielsweise den Index 2. Dann ist die Gesamtzahl der Wicklungsteile wieder wie früher g=gx+g%>

wobei aber jetzt g₂ = 2g_± ist und damit gi=—

wird. Hiermit ergibt sich für α mit den Bezeichnungen wie früher folgende Gleichung:

a =■

2C

c b₂

und für c = 1 wieder: a = g

"·1

Das Stromvolumen pro Nut wird:

Für die Dreistabdreiphasenwicklung· ergibt

sich jetzt die Zahl der Zweige zu g = -^- .

^{1 ö δ} η go

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 5 der Zeichnung veranschaulicht. Diese zeigt eine Dreiphasenwicklung für 8 Pole und 6o Nuten, also für 2,5 Nuten je Pol und Phase und 2,5 · 3 = 7,5 Nuten pro Pol. Die Wicklung ist als Zweistabwellenwicklung ausgeführt. Sie wird gebildet je Phase durch eine Gruppe von zwei hintereinandergeschalteten Wicklungsteilen und eine mit dieser in Reihe geschalteten Gruppe von zwei einander parallel geschalteten Wickhingsteilen. In Fig. 6 ist die Leiteranordnung über zwei Pole veranschaulicht. Die in zwei Schichten angeordneten Nutenleiter sind durch je ein besonderes Zeichen für j ede Phase angedeutet. Bei der gewählten Nutung wiederholt sich, die Wicklung bereits nach zwei Polteilungen. In der relativen Lage zum Feld bilden zwei Pole eine Ersatzpolteilung, zu der man dadurch gelangt, daß man den Wicklungsabschnitt für die zweite Polteilung unter den Wicklungsabschnitt für die erste Polteilung legt, wie es in der Fig. 6 ebenfalls veranschaulicht ist. In Fig. 7 ist die Leiteranordnung für eine Ersatzpolteilung für eine Phase eingetragen. Die Figur ergibt sich aus Fig. 6 einfach durch Summation der in Fig. 6 übereinanderliegenden Leiter. Man erkennt, daß ein Teil des Wicklungszuges in Fig. 7 doppelt besetzt ist.

In Fig. 8 ist nun gezeigt, wie die Leiter der Fig. 7 in zwei Wicklungszüge aufgeteilt werden. Da es sich um eine Wellenwicklung han-

delt, sind die Nuten fortlaufend über alle 8 Pole numeriert. Es ergeben sich insgesamt g= ' = — = 4Wicklungsteile, von denen

jeder aus einem linkslaufenden langen und einem darunter dargestellten rechtslaufenden kurzen Teilstück besteht. In Fig. 9 sind die vier Zweige aufgetragen, aus denen die Wicklung zusammengesetzt werden muß. Die gleichartig liegenden Leiter sind jeweils um .15 Nutteilungen gegenüber dem vorherliegenden Zweig verschoben. Alle Oberstäbe ungeradzahliger Nuten und alle Unterstäbe geradzahliger Nuten sollen für den vollen Strom bemessen werden, die Unterstäbe ungeradzahliger Nuten und die Oberstäbe geradzahliger Nuten dagegen für den halben Strom. Also führen die Teilstücke 11, Hr, III/ und IVr vollen Strom und die Teilstücke Ir, Hl, III/ und IV/ halben Strom. Wie in Fig. 10 gezeigt, werden nunmehr die Teilstücke I/,Hr sowie III I und IVr unter sich zu Teilen der Wicklung zusammen und gemeinsam in Reihe geschaltet. Weiterhin werden, wie in Fig. 11 gezeigt, die Teilstücke IV/ und III/·-zu einem Wicklungsteil miteinander verbunden und ebenso, wie in Fig. 12 dargestellt, dieTeilstüdkell/ und Ir. Fig. 10 stellt den einzigen aus zwei Teilen, bestehenden Zweig für den vollen Strom, der eine Gruppe bildet, dar, Fig. 11 und Fig. 12 stellen die parallel zu· schaltenden, je aus einem Teil bestehenden Zweige für je den halben Strom dar, die die andere Gruppe bildet.
Die Gruppen werden nunmehr entsprechend Fig. 13 zusammengeschaltet. Zu diesem Zweck wird in Fig. 10 die Wicklung zwischen den Nuten 15 und 8 aufgeschnitten; weiterhin werden die Zweige der Fig. 11 zwischen 14 und 7 und der Fig. 12 zwischen 16 und 9 aufgetrennt. Nunmehr wird der Oberstab 15 der Vollstromgruppe, die nur aus einem Zweig· besteht, mit den parallel geschalteten Nutenstäben 7 und 9 in Reihe¹ geschaltet, desgleichen der Unterstab 8 mit den parallel geschalteten Oberstäben 14 und 16. Schließlich wird die Wicklung zwischen den Stäben 1 und 54 aufgetrennt. Das freie Ende ι ist die Klemme X, das freie Ende 54 die Klemme U in der beschriebenen Phase. Entsprechend wird mit den beiden anderen Phasen verfahren, die die Enden Y—V und Z—W erhalten. Damit ist die gewünschte Schaltung hergestellt.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Wechselstromwicklung, insbesondere Stabwicklung für elektrische Maschinen mit Reihenparallelschaltung von Wicklungsteilen, dadurch gekennzeichnet, daß Wicklungsgruppen je Phase hintereinandergesehaltet sind, die aus der Zahl nach voneinander verschiedenen parallel geschalteten Wicklungszweigen bestehen.

2. Wechselstromwicklung nach Anspruch, i, dadurch gekennzeichnet, daß die parallel geschalteten Wicklungszweige aus hintereinandergeschalteten Wicklungsteilen bestehen.

3. Wechselstromwicklung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtzahlen der Wicklungsteile in den hintereinandergeschalteten Gruppen einander gleich sind.

4. Wechselstromwicklung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte der schwächer belasteten Wicklungsteile kleiner sind als die Querschnitte der stärker belasteten Wicklungsteile.-

5. Wechselstromwicklung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutenleiter der schwächer belasteten Wicklungsteile schmäler sind als die Nutenleiter der stärker belasteten Wicklungsteile.

6. Wechselstromwicklung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungen aller Wicklungsteile nach Größe oder Phase oder nach beiden einander gleich sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen