DE716530C - Elektrische Drehfeldmaschine mit vorzugsweise in Umfangsrichtung verlaufender Ankerwicklung - Google Patents

Elektrische Drehfeldmaschine mit vorzugsweise in Umfangsrichtung verlaufender Ankerwicklung

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DE716530C
DE716530C DEG97156D DEG0097156D DE716530C DE 716530 C DE716530 C DE 716530C DE G97156 D DEG97156 D DE G97156D DE G0097156 D DEG0097156 D DE G0097156D DE 716530 C DE716530 C DE 716530C
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DEG97156D
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Dipl-Ing Vitaly Grosse
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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00Synchronous motors or generators
    • H02K19/16Synchronous generators

Description

  • Elektrische Drehfeldmaschine mit vorzugsweise in Umfangsrichtung verlaufender Ankerwicklung Es sind elektrische Drehfeldmaschinen bekanntgeworden, bei denen die Ankerwicklungen vorzugsweise in Umfangsrichtung verlaufen und mit dem Drehfeld über Magnetjoche verkettet sind; die .den vom Drehfeld er= zeugten - Fluß vorzugsweise in axialer Richtung durch die Ankerspulen leiten (Querjoche). Bei -den bekannten Maschinen wird die - ringförmig - am _ Umfang angeordnete Ankerspule von der Hälfte der Querjoche umschlossen. -Diese Querjoche wechseln ab mit solchen, die die Ankerspule nicht umschließen und die nur dazu dienen, dem Drehfeld dauernd einen Weg angenähert konstanter Leitfähigkeit zu bieten, um Flußpulsationen-in.den Läuferwicklungen zu vermeiden. Dadurch entsteht ein sehr hoher Eisenaufwand.
  • Die Erfindung vermeidet diesen Nachtei; indem zwei oder mehr Gruppen von Ankerspulen -verwendet werden, welche derart -abwechselnd mit den Querjochen verkettet -sind; daß alle Querjoche, zur Spannungserzeugung herangezogen werden, -.Indem- die -Erfindung den hauptsächlichen-- Nachteil der~Maschinen mit axial-verlaufendern Magnetfeld,nämlich den hohen Eisenbedarf, beseitigt, kommen die Vorteile der Maschinen gemäß der Erfindung gegenüber den Maschinen üblicher Bauart besonders zur Geltung. Die einfache Formgebung der Spulen ergibt bedeutende Ersparnis an Kupfer und vor allem wesentlich günstigere Isolationsverhältnisse, die es erlaugen, Maschinen für höchste Spannungen wirtschaftlich zu bauen. -Ferner ergibt--sich eine besonders hohe mechanische Festigkeit der Wicklung vor allem bei Kurzschlüssen: -weckmäßige Anordnungen werden- erhält ten, wenn die resultierende Ankerdurchflutüng in jeder radialen, zur Rotationsachse parallelen Ebene Null ist. Bei einphasigen Maschineu -erhält- die Ankerwicklung zwei - ent gegengesetzt- durchflossene; in geeigneter Weise zusammengeschaltete -Spulen. Bei drei= phasigen Maschinen genügt hierfür bereits eine Spule je Phase. Man kann jedoch vor allem bei Großmaschinen die Wicklungen Wei tergehend unterteilen, was sieh aus - anderen Gründen, insbesondere-mit Rücksicht auf, ihre Erwärmung, empfehlen kann: Vor allem -ist die - Verwendung von - iwe'i Spulen- je Phase zweckmäßig. Wird ein derartiges Spulenpaar von einem gemeinsamen Joch umschlossen, so heben sich die inl beiden Spulen induzierten Spannungen bei Reihenschaltung auf. Diese Anordnung ergibt einen einfachen Aufbau bei mehrphasigen Maschinen, indem -alle Spulen innerhalb des Jochfensters liegen. Die Flüsse treten an den Stirnseiten gleichsinnig in das Joch ein und durch in geeigneter Weise angeordnete Zinken, welche zwischen den S,- ulen der einzelnen Phasen hindurchtreten, zur Bohrung zurück. Diese Anordnung ermöglicht u. a. bei Läufern von Asynchronmotoren eine besonders einfache Konstruktion. Insbesondere ist es möglich, die Läuferwicklung innerhalb der Bohrung feststehend anzuordnen, wodurch Schleifringe vermieden werden.
  • Bei Synchronmaschinen ergibt die Möglichkeit, den Fluß vom Polkopf zum Polfuß zu leiten, eine besonders gedrängte Bauart, wenn die Ankerspulen zu beiden Seiten des Polrades angeordnet werden. Ferner wird hierdurch die Streuung stark herabgesetzt. Es ist dabei zweckmäßig, wie auch oft bei anderen bekannten Anordnungen, die Luftspalte nicht auf einem Zylindermantel, sondern in zur Achse senkrechten Ebenen anzuordnen. Es ist ferner eine schräge Anordnung der Luftspalte an einem Kegelmantel möglich. Diese Anordnungen erfordern eine genaue axiale Lagerung des ro@irenden Teils.
  • Um vor allem bei Generatoren in den Ankerspulen sinusförmige Spannungen zu erzeugen, stehen mehrere Möglichkeiten offen. Es ist einerseits möglich, den Flußverlauf innerhalb der Joche einer Phase durch stetige ,Änderung des Luftspaltes zu regeln. Dies kann sich bereits dadurch ergeben, daß die Jochflächen an der Bohrung nicht genau dem Zylindermantel entsprechen, sondern (bei Anwendung gleicher Blechschnitte) Tangentialebenen darstellen. Eine weitere Maßnahme, die vor allem bei mehrpoligen Maschinen Anwendung findet, besteht darin, Joche gleicher Phase in den einzelnen Polteilungen gegeneinander versetzt anzuordnen, so daß die von den einzelnen Jochen induzierten Spannungen kleine zeitliche Verschiebungen aufweisen, wodurch die höheren Harmonischen herausgesiebt werden können. Schließlich ist es bei mehrphasigen Maschinen möglich, durch gleichzeitige Verkettung mehrerer Phasen mit dem Drehfeld, eine gegenseitige Beeinflussung der Phasen zu erreichen, die dem gleichen Zweck dient.
  • Eine besondere Ausbildungsform der Erfindung, die konstruktiv und betriebsmäßig zahlreiche Vorteile bringt, wird erhalten durch Anwendung zweier miteinander transformatorisch-gekoppelter Winklungen im Anker. Die erste Wicklung (innere Wicklung) wird in beschriebener Weise mit dem Bohrungsfluß verkettet und in der Regel in sich kurzgeschlossen. Sie wird mit der zweiten Wicklung (äußeren Wicklung) durch zusätzliche Magnetkreise (äußere Kreise) gekoppelt. Die äußere Wicklung trägt die Anschlußklemmen der Maschine. Die innere Wicklung kann hierbei für eine besonders niedrige Spannung ausgelegt werden. Bei dieser Ausbildung braucht sie praktisch nicht isoliert zu werden, vor allem, wenn sie aus einem Einzelleiter besteht. Dabei sind allerdings Maßnahmen gegen die Stromverdrängung anzuwenden. Als Isolation genügt eine Abstützung der Leiter gegen die Joche. Bei Aluminium als Leitermaterial genügt - seine oxydierte Oberfläche zur Isolierung.
  • Infolge der einfachen Ausbildung der inneren Wicklung ist es zweckmäßig, die wahlweise Verkettung mit den Querjochen in der Weise vorzunehmen, daß die Querjoche ihre Form und Anordnung im wesentlichen beibehalten und die inneren Wicklungen ihnen angepaßt werden. Zu diesem Zweck werden die Wicklungen abweichend von der genauen Kreisringform ausgeführt. Ihre näher zur Achse liegenden Teile können mit dem Bohrungsfeld verkettet sein, ihre weiter entfernten Teile mit der äußeren Wicklung gekoppelt werden. Es kann natürlich auch für die räumliche Anordnung zweckmäßig sein, die innere Wicklung auch in Achsrichtung zu verformen.
  • Die äußeren Magnetkreise können in sich geschlossen oder vorteilhaft unter Ausnutzung der Querjoche für ihren Rückschluß ausgebildet werden. .Dann besteht die wesentliche Aufgabe der inneren Wicklung darin, den Fluß aus diesem gemeinsamen Teil der Querjoche herauszudrängen und dadurch mit der äußeren Wicklung zu verketten.
  • Die zu--ä zlichen Vorteile bei der Anordnung zweier Wicklungen im Anker liegen vor allem in der besonders bequemen Isolation der äußeren Wicklung, die nun für höchste Spannungen ausgelegt werden kann. Ferner wer den gleichmäßig und einfacher geformte Querjoche benutzt.
  • An S:elle der Ringspulen könnte man Einzelspulen um die Querjoche anordnen.
  • In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Dabei ist das Drehfeld der Anschaulichkeit halber durch einen Läufer mit ausgeprägten Polen angedeutet. Die Erfindung läßt sich jedoch mit gleichem Vorteil auch bei anderen Maschinen, in denen Drehfelder auftreten, anwenden, vor allem bei Turbogeneratoren, bei Maschinen mit Wechselstromerregung sowie bei einphasigen und mehrphasigen Asynchronmaschinen. Ferner betrifft die Erfindung auch Maschinen mit rotierendem Anker und einem im Raume feststehenden Feld.
  • Abb. i und- 2 zeigen- die Ausführung einer einphasigen Maschine -gemäß der Erfindung, wobei Abb. i den Anker der Maschine perspektivisch- darstellt, während- Abb.2 den Querschnitt- durch den Anker mit der Andeutung des Flußverlaufs wiedergibt, -Das Polrad ist, abgesehen vom Wechsel der Polarität, in Umfangsrichtung mit paarweise nebeneinander angeordneten Polen i und 2 verschiedener Polarität versehen.
  • Damit die Polflüsse zeitlich unverändert bleiben, werden zwei Ringspulen ¢ und q.' verwendet. Die Ankerwicklungen können als einphasige Ringspulen ausgebildet werden;. die sich leicht nach der Art von Kabeln oder von TransfOrmatorenwicklungen isolieren lassen.- Bei hohen Betriebsspannungen ist es zweckmäßig, diesen Spulen, wie dargestellt, einen runden Querschnitt zu geben. Die Oberfläche der Spule wird dann metallisiert, um einen günstigen Verlauf des elektrischen Feldes zu erreichen. Der von den Polen i und 2 erzeugte Fluß 7 -geht durch die Querjoche 5 und 6 und wird auf diese -Weise abwechselnd mit den Spulen ¢ und q.' verkettet.
  • Die Querjoche 5 und 6 sind etwa hufeisenförmig ausgebildet. Es ist natürlich möglich, die Lücke 8 so breit zu machen, daß das Querjoch als Ganzes über die Spule geschoben werden kann. Dies würde eine -wesentliche Verminderung der S'reuung ergeben, jedoch den Raumaufwand erhöhen. Bei der halb geschlossenen Ausführung, wie sie dargestellt ist, kann das Joch entweder in geeigneter Weise geteilt sein, oder es- können Jochbleche vor dem Zusammenspannen auf die Spule aufgefädelt werden, indem ihre Enden in entgegengesetzten Richtungen auseinandergespreizt werden.
  • Es bildet stets ein Polpaar i, 2 mit einem der Joche einen magnetischen Kreis, der in einer der beiden Spulen eine Spannung induziert. Gleichzeitig induziert das in Umfangsrichtung folgende Polpaar eine entgegengesetzte Spannung in der zweiten Spule. Beide Spulen können in Reihe oder parallel geschaltet werden. Es ist auch möglich, beide Spulen sogar mit verschiedenen Spannungen unabhängig voneinander zu betreiben, wobei allerdings Flußschwanküngen in den Polen bei verschiedener Belastung beider Systeme (diese Anordnung läßt sich auch auf mehrphasige Systeme anwenden) entstehen.
  • Bei der.dargestellten Anordnung treten- zwischen den- in -Umfangsrichtung einander folgenden Polen keine -Nutzflüsse auf. Es ist zweckmäßig, die Streuung zwischen den aufeinänderfolgenden Polen möglichst niedrig zu halten. Abb.3 zeigt eine vielpolige Maschine, bei der jeweils nur eine Spule g zur Erregung eines Magnetkreises - dient. Dies wird dadurch erreicht, daß der Fluß am Kopf.i2 und am Fuß i i des Poles in den Anker eintreten kann. Dargestellt ist eine Ausführung mit-Luftspalten in zur Maschinenachse senkrechten Ebenen. Sie ist natürlich auch mit zylindrischer Lüftspaltanordnung möglich. Werden, wie dargestellt, beide Ankerspülen.. und q.' unmittelbar an beiden Seiten der Erregerspule angeordnet, so ergibt diese Anordnung .eine besonders geringe Streuung. Auch hier liegen die Querjoche abwechselnd und bedecken je etwa eine Polteilung. Da die Breite der aus Blechen bestehenden Joche in der Umfangsrichtung am Polkopf 12 und am Polfuß i i gleich sind, entsprechen die Joche am Polfuß einem größeren Winkel als am Polkopf. Es ist deshalb zweckmäßig, die Luftspalte am Polfuß i i möglichst klein und gleichmäßig zu halten, während die Luftspalte am Polkopf 12 zusammen mit der Formgebung des Polkopfes in Umfangsrichtung den zei@lichen Flußverlauf in den Querjochen bestimmen. In der Regel ist es zweckmäßiger, den Flußübergang am Polfuß in axialer Richtung erfolgen zu lassen, da hierbei keine zusätzliche Bearbeitung der Querjoche erforderlich ist. Es ist jedoch auch möglich, den Fluß am Polfuß radial in das Polrad eintreten zu lassen.
  • Abb. ¢ zeigt die Anordnung nach Abb. 3 in Achsrichtung gesehen. Für die Form der induzierten Spannung ist bei konstantem Luftspalt die Umrißlinie des Polkopfes 12 maßgebend. Es ist auch möglich, die Querjoche aus mehreren gegeneinander versetzten Teilpaketen zusammenzusetzen.
  • Abb.5 zeigt eine dreiphasige Anordnung, wobei jeder Phase zwei in verschiedenen Richtungen durchflossene Ringspulen zugeordnet sind, i o, 10', 20, 20', 30, 30'. Das Polrad stellt eine Verdoppelung des Polrades nach Abb.2 dar: Der Fluß tritt durch den mitt. leren PO1I3 aus dem Polrad und gelangt über die Pole i q. und 15 in das Polrad zurück. Die Erregerwicklung kann in beliebiger Weise auf die Pole 13 bis 15 verteilt werden. Das Querjoch 6 umschließt alle Wicklungen. Da jedoch die Wicklungen jeder Phase paarweise angeordnet sind und in Reihe liegen, erzeugen Flüsse im Querjoch 6 keine Spannungen in den Wicklungen. Die Spannungen werden durch die Zinken 17, 18 induziert, die den Fluß zwischen die Spulen einer Phase lenken. Die Wicklungen sind also nur dort mit dem Drehfeld verkettet, -wo Polzinken angeordnet sind. Dargestellt ist die Stelle, an der nur die Wicklungen io, io' und 2o, 2o' mit dem Polrad gekoppelt sind, während die Wicklungen 30, 30' nicht verkettet sind. Da in der Regel eine Phase mit dem F1uß auf der halben Länge der Ringspule verkettet ist, ergibt sich, daß gleichzeitig abwechselnd .eine oder zwei Phasen mit = dem -: Drehfeld verkettet sein -können. -Abb.6 stellt eine dreiphasige Anordnung mit Doppelwicklung dar. Die inneren Spulen 1o, 2o und 3o werden bei dieser Anordnung zweckmäßig für eine möglichst niedrige Spannung ausgeführt. Sie brauchen infolgedessen nur wenig isoliert zu werden und können ohne Schwierigkeit sich in ihrer Form der gleichbleibenden Form der Querjoche 16 anpassen. Sie werden durch zusätzliche Querjoche 2i und 22 mit den äußeren Wicklungen io, -2o, 30 unter Einbeziehung des Querjochs 16 gekoppelt. Die inneren Wicklungen können also en@weder in der Aussparung des- Querjochs 16 .an den Stellen a und b liegen oder in den Fenstern- der äußeren Magnetkreise zwecks Kopplung mit den äußeren Spulen an den Stellen e, d, e.
  • Abb. 7 zeigt das Wickelschema der inneren Wicklung. Die ausgezogenen Linien zeigen die Stellen der Verkettung mit dem Drehfeld (entsprechend den Stellen a und b), die gestrichelten Linien zeigen die Stellen der Kopplung mit den äußeren Wicklungen (Stellen c, d, e). Während die erste Verkettung allein durch die Anordnung der inneren Wicklung erreicht wird, werden für die transformatorische Kopplung zusätzliche Joche 21 und 22 benötigt. Diese Anordnung ist für hohe Spannungen besonders geeignet.
  • Bei großen Maschinen besteht der Wunsch, den Ständer aus konstruktiven Gründen geteilt auszuführen. Die als Ringspulen ausgebildeten Ankerspulen müssen vor dem Zusammenbau des Ständers um das Polrad gelegt werden. Es ist deshalb zweckmäßig, auch die Ankerspulen geteilt auszuführen und mit Endverschlüssen zu versehen. Beide Spulenhälften werden nach dem Zusammenbau zusaminengeschaltet. Die Abb.8 zeigt eine besonders zweckmäßige Ausführungsform, bei der das Zusammenschalten der einzelnen Windungen fortfällt, wenn zwei Spulen je Phase vierwendet werden. Beide Halbspulen io und io' werden an der Teilfuge zu einer Halbringdoppelspule zusammengefaßt. Die Endverschlüsse beider Doppelspulen werden in gewünschter Weise zusammengeschaltet.

Claims (7)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Elektrische Drehfeldmaschine mit vorzugsweise in Umfangsrichtung vierlaufender Ankerwicklung, welche mit Magnetjochen verkettet ist, - die -den vom Drehfeld erzeugten Fluß vorzugsweise in axialer Richtung durch die Ankerspulen leiten (Querjoche), dadurch gekennzeichnet, daß zwei öder. mehr Gruppen von Spulen derart abwechselnd mit den Querjochen verkettet sind, daß alle Querjoche zur Spannungserzeugung herangezogen werden.
  2. 2. Drehfeldmäschine nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, daß die resultierende Durchflutung -im Anker in jeder radialen, zur Rotationsachse parallelen Ebene Null ist: - 3.
  3. Drehfeldmaschine nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerwicklung jeder Phase aus zwei entgegengesetzt durchflossenen Spulen besteht. - -q..
  4. Drehfeldmaschine nach Anspruch 2 mit dre'phasiger Ankerwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Phase nur eine Spule zugeordnet ist.
  5. 5. Drehfeldmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß alle Ankerspu'.en von Querjochen umschlossen sind und daß zur Erregung jeder Phase Zinken dienen, die zwischen beiden Spulen dieser Phase hindurchtreten.
  6. 6. Drehfeldmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Flüsse in den Anker zu beiden Seiten der Bohrung eintreten und durch die den einzelnen Phasen zugeordneten Zinken austreten.
  7. 7. Drehfeldmaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Querjoche derart verschieden angeordnet und geformt sind, daß sie die einzelnen Spulen wahlweise umschließen oder auslassen. B. Drehfeldmaschine nach Anspruch i. dadurch gekennzeichnet. daß im Anker zwei Wicklungen angeordnet sind, wobei die innere Wicklung mit dem Bohrungsfluß verkettet ist und mit der äußeren Wicklung transformatorisch gekoppelt ist. g. Drehfeldmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Wicklung in sich geschlossen ist und für eine möglichst niedrige Spannung ausgelegt ist. io. Drehfeldmaschine nach Anspruch ä, dadurch gekennzeichnet, daß alle Querjoche gleich ausgebildet sind, während die innere Wicklung zwecks wahlweiser Verkettung mit den -Jochen von der Kreisringform abweicht. i i. Drehfeldmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Querjoche als Rückschlüsse für die äußeren Magnetkreise dienen.
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