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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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An S:elle der Ringspulen könnte man Einzelspulen um die Querjoche
anordnen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.