DE822858C

DE822858C - Arrangement of inserted in grooves conductors of electrical machines o.

Info

Publication number: DE822858C
Application number: DEH2810A
Authority: DE
Inventors: Paul Hoffmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1949-11-19
Filing date: 1950-05-16
Publication date: 1951-11-29

Description

Anordnung von in Nuten eingelegten Leitern elektrischer Maschinen o. dgl. f)ic Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung von in Nuten eingelegten Leitern elektrischer Maschinen o. dgl. und kennzeichnet sich dadurch, <laß der Nutenquerschnitt und der Leiterquerschnitt derart gewählt sind, daß die Nutfüllung dem optimalen Verhältnis zwischen den mit fortschreitender Verminderung des Leiterquerschnittes zunehmenden Olimschen Verlusten und denjenigen Zusatzverlusten entspricht, die bei Vergrößerung des Abstandes zwischen Nutenwand und Leiter infolge der Verlegung des Leiters in das Gebiet schwächerer Krümmung der von der Nutenwand zum Luftspalt verlaufenden Kraftlinien abnehmen.Arrangement of conductors of electrical machines laid in grooves o. The like. F) ic invention relates to an arrangement of inserted in grooves Ladders of electrical machines or the like and is characterized by the fact that <let the Groove cross-section and the conductor cross-section are chosen such that the groove filling the optimal ratio between the progressive reduction of the conductor cross-section increasing Olim's losses and those additional losses that correspond to Increase in the distance between the groove wall and the conductor as a result of the installation of the Conductor in the area of weaker curvature that runs from the groove wall to the air gap Decrease lines of force.

Die Entwicklung im Bau von elektrischen Maschinen hat zu einer immer höheren Stromdichte am Ankerleiter geführt (Amp./mm2). Außer der Verwendung von besserem Gehäusematerial, statt Gußeisen, Stahlguß oder Walzstahl, führte die immer weitergehende Ausnutzung des Wickelraumes in den Ankernuten zu einem günstigeren Verhältnis der Leistung zum Gesamtgewicht, wodurch eine erhebliche Materialersparnis erzielt wurde. Durch Verwendung von Profilkupfer wurde die Maschine bei zulässiger Erwärmung in ihrer Leistung erhöht. Nach den bis heute noch herrschenden Meßmethoden besteht die, Auffassung, daß außer den direkt meßbaren Verlusten nur noch ein geringer Teil von sog. zusätzlichen Verlusten auftritt.The development in the construction of electrical machines has become one higher current density on the armature conductor (Amp./mm2). Besides the use of Better housing material, instead of cast iron, cast steel or rolled steel, always led further utilization of the winding space in the anchor grooves for a cheaper one Ratio of power to total weight, resulting in significant material savings was achieved. By using profile copper, the machine became more permissible Warming increases in their performance. According to the measurement methods still prevailing today there is the opinion that apart from the directly measurable losses only a small one Part of so-called additional losses occurs.

Nach diesen indirekten Meßverfahren betragen die zusätzlichen Verluste im allgemeinen o bis i % der aufgenommenen Leistung. Durch Anwendung von Gitterstäben hat man die so ermittelten Zusatzverluste noch weiter herabgesetzt. So wird z. B. von Professor Haberland, Breslau, im Arnold-La Cour »Die Gleichstrommaschine« angegeben, daß bei größeren Maschinen, z. B. bei einer 35-kW-Maschine, die Zusatzverluste o,5% betragen. Nach diesen Gesichtspunkten wurden bisher elektrische Maschinen berechnet und gebaut. Daraus ergibt sich ein bestimmter Materialaufwand im Verhältnis zur Leistung.According to this indirect measurement method, the additional losses are generally o to i% of the power consumed. By using bars the additional losses determined in this way have been further reduced. So z. B. from Professor Haberland, Breslau, in the Arnold-La Cour "The DC machine" indicated that for larger machines, e.g. B. with a 35 kW machine, the additional losses o.5%. Up to now, electrical machines have been calculated according to these aspects and built. This results in a certain cost of materials in relation to the Power.

JahrzehntelangeGrundlagenforschungen über das @N'esen des Induktionsvorganges haben nun zu der Erkenntnis geführt, daß die wirklich auftretenden Zusatzverluste, welche außer den Ohmschen Verlusten zur Erwärmung der Ankerleiter führen, erlieblich größer sein müssen.Decades of basic research on the @N'esen of the induction process have now led to the realization that the additional losses that actually occur which, in addition to the ohmic losses, lead to the heating of the armature conductors have to be bigger.

Durch neu entwickelte Meßmethoden zur Bestimmung der wirklich auftretenden Zusatzverluste in elektrischen Maschinen wurden diese wesentlich höher gemessen, als man sie bisher nach dem indirekten Verfahren ermittelt hatte.With newly developed measuring methods to determine the actually occurring Additional losses in electrical machines were measured much higher, than had previously been determined using the indirect method.

Weitere Untersuchungen des Verlaufs der Kraftlinien in der Ankernut gaben eindeutige Aufschlüsse über die durch das neue Meßverfahren ermittelten hohen zusätzlichen Verluste. Die Kraftlinien in den Ankernuten verlaufen nicht geradlinig, sondern gekrümmt. Der Verlauf der Kraftlinie ist grundsätzlich vom Sättigungsgrad des Ankereisens, vom Luftspalt, von IVutentiefe und Nutenbreite wie auch von der Ankerzahnbreite am Umfang und am N utenboden abhängig. Dadurch ergibt sich zwangsläufig das Aufteilungsverhältnis zwischen Ankerdurchmesser und Ankernuten.Further investigations into the course of the lines of force in the anchor groove gave clear information about the high values determined by the new measuring method additional losses. The lines of force in the anchor grooves are not straight, but curved. The course of the line of force is basically of the degree of saturation the anchor iron, the air gap, the groove depth and width as well as the Anchor tooth width depends on the circumference and on the bottom of the groove. This inevitably results the distribution ratio between anchor diameter and anchor grooves.

Die hohen Zusatzverluste tragen in erheblichem Umfang zur Erwärmung der Ankerleiter bei, was auf Grund der bisherigen Meßmethoden nicht erkannt wurde, sondern diese Erwärmung wurde bisher fast ausschließlich den Ohmschen Verlusten zugeschrieben. Daß diese Erwärmung auf Grund der zusätzlichen Verluste mit den bisherigen Meßmethoden nicht erkannt werden konnte, liegt daran, daß die Zusatzverluste durch die Wirkung eines bisher unbekannten Gesetzes, welches mit ihnen und dein Ankerstrom in ursächlichem Zusammenhang steht, kompensiert wurden.The high additional losses contribute to a considerable extent to the heating the anchor conductor for what was not recognized due to the previous measurement methods, but this warming has so far been almost exclusively due to ohmic losses attributed to. That this warming is due to the additional losses with the previous ones Measurement methods could not be recognized, is because the additional losses through the effect of a previously unknown law, which with them and your anchor current is causally related, were compensated.

Um die bisher nicht beobachteten hohen Zusatzverluste zum großen Teil zu beseitigen, müssen die Ankerleiter so gewählt werden, daß das Auftreten von Wirbelströmen im Ankerleiter bestens vermieden wird. Es darf also nur der Teil in der Ankernut ausgelegt werden, welcher die geringsten Spannungsdifferenzen innerhalb des Induktionsvorganges ergibt. Ferner empfiehlt es sich, Profilkupfer zu wählen, dessen Form sich dem Verlauf der Kraftlinien anpaßt. Man kommt dadurch auf kleinere Leiterquerschnitte und eine nur teilweise Ausnutzung des Wickelraumes in der Ankernut. Dadurch, daß man auf diese Weise den Hauptanteil der hohen zusätzlichen Verluste beseitigt hat, kann man die Stromdichte des Ankerleiters erheblich steigern. Es stellt sich also der praktische Vorteil heraus, daß man mit erheblich weniger Ankerkupfer die gleiche oder höhere Leistung erzielen kann, bei gleichem oder besserem Wirkungsgrad. Dieses Verfahren ist überall da anwendbar, wo ein Induktionsauftritt. 1>as umfas#endste :\nNvendungsgebiet liegt in elektrische» Maschinen. Es ist unerheblich; ob es sich uni Dreh-, Gleichoder Wecliselstrommaschinen handelt, und auch Kurzschlußläufer sind eingeschlossen.To a large extent, the high additional losses that have not been observed so far To eliminate, the armature conductor must be chosen so that the occurrence of eddy currents is best avoided in the anchor ladder. So only the part in the anchor groove is allowed be designed, which has the smallest voltage differences within the induction process results. It is also advisable to choose profile copper, the shape of which follows the course that adapts to the lines of force. This results in smaller conductor cross-sections and one only partial use of the winding space in the anchor groove. By being on this way has eliminated most of the high additional losses that may be the current density of the armature conductor can be increased considerably. So it arises practical advantage that you can get the same with considerably less anchor copper or can achieve higher performance with the same or better efficiency. This The method can be used wherever induction occurs. 1> the most comprehensive : \ nUsed area is in electrical »machines. It doesn't matter; whether it is uni rotary, direct or alternating current machines, as well as squirrel cage rotors are included.

An Hand der Zeichnungen sollen Einzelheiten des Verfahrens gemäß der 1?rfindung naher erläutert Nverden.With reference to the drawings, details of the method according to the 1? Invention explained in more detail Nverden.

Die Kraftlinien in den Ankernuten verlaufen nicht geradlinig, wie _11,>l>. i zeigt, sondern gekrümmt wie auf Abb. i a, was grundsätzlich bekannt ist. Verlaufen z. B. die Kraftlinien geradlinig, wie Abb. 2 zeigt, oder noch besser in der Richtung zum Mittelpunkt des Aiihers, so schneidet der in der t@nkernttt eingelegte Leiter die Kraftlinien rechtwinklig, wobei praktisch keine zus:itzlichen Verluste auftreten können. Iii dicsein Fall, der aber praktisch nicht erreichbar ist, treten bei stroindurch'dossenem Leiter nur die reinen Ohinschen Verloste auf.The lines of force in the anchor grooves are not straight, like _11,> l>. i shows, but curved like in Fig. i a, which is basically known. Run z. B. the lines of force straight, as Fig. 2 shows, or even better in the direction to the center of the line, the one inserted in the core intersects Head the lines of force at right angles, with practically no additional losses may occur. III his case, which is, however, practically unreachable when the ladder is thrown through the stroke, only the pure Ohin raffles are raffled off.

In Wirklichkeit verlaufen die Kraftlinien wie Abb. --a zeigt. In diesem all werden die Kraftlinien von dem @niccrlcter nicht r;clitwinklig geschnitten. Betrachtet niau, wie Abb. 21) zeigt, den Ankerleiter i, so wird deutlich erkennbar, daß an jeder Stelle des t:nkerleiters eine andere Spannung auftreten muß, wodurch die scliädliclien Wirbelströme entstellen. Diese wei-dcti durch indirekte Meßmethoden in dir Encrgicl>ilanz von elektrischen Maschinen als die zusätzlichen `'erluste bezeichnet. Setzt man die Richtigkeit des 1>islicrigeu indirekten Meßverfahrens zur Ermittlung der zusätzlichen Verluste an elektrischen Rlasciiinen voraus, so werden die Ankerleiter bei Vollast einer Maschine von den Ohinschen Verlusten plus o bis i °/o zusätzlichen Verlusten, bezogen auf die aufgenommene Leistung, erwärmt.In reality, the lines of force run as shown in Fig. --A. In this all the lines of force are not cut at an angle by the @niccrlcter. If you now look at the anchor conductor i, as Fig. 21) shows, it becomes clear that that at each point of the conductor a different voltage must appear, whereby disfigure the basic eddy currents. This is done through indirect measuring methods In the energy efficiency of electrical machines as the additional losses designated. If one assumes the correctness of the legal indirect measuring method for the determination of the additional losses at electrical Rlasciiinen advance, see above the anchor ladder at full load of a machine from the Ohin losses plus o to i ° / o additional losses, based on the power consumed, heated.

Die neu entwickelten Meßmetlioden sowie die Untersuchungen des Verlaufes der Kraftlinien in der Ankernot während des Induktionsvorganges haben ergeben, daß die zusätzlichen Verluste im Ankerleiter zu \1 eseri"tlicli größerem Teil zur Erwärmung des Ankerleiters beitragen, als es bisher angenommen worden ist. LJin diese weit höher auftretenden zusätzlichen Verluste zu beseitigen, muß grundsätzlich darauf geachtet werden, daß die Krümmung der Kraftlinien in der Ankernut eine möglichst geringe ist. Dies ist dadurch zu erreichen, daß man bei normalen Betriebsbedingungen einer elektrischen Maschine Sättigung, noch besser eine Übersättigung im Zahnfuß hervorruft. Auch der Luftspalt, also die Entfernung zwischen Anker und Hauptfeld, hat einen wesentlichen Einfluß auf den Krümmungsgrad der Kraftlinien in der Ankernut. Der Luftspalt darf im Höchstfall 6% vom Ankerdurchmesser betragen. Bei größerem Luftspalt ist der gleiche Verlauf der Kraftlinien zu erreichen, jedoch würde die Wirtschaftlichkeit durch die dann notwendig werdenden höheren Erregerverluste und Verstärkung des Poljoches, was zu gleichem Kraftlinienverlauf in den Ankernuten führt, stark herabgesetzt werden.The newly developed Meßmetlioden as well as the investigation of the course of the lines of force in the anchorage during the induction process have shown that the additional losses in the armature conductor are largely due to the warming of the anchor ladder than previously assumed. LJin this far In principle, care must be taken to eliminate additional losses that occur higher care must be taken that the curvature of the lines of force in the anchor groove is as good as possible is low. This can be achieved by operating under normal operating conditions saturation of an electrical machine, or even better, oversaturation in the tooth root evokes. Also the air gap, i.e. the distance between the anchor and the main span, has a significant influence on the degree of curvature of the lines of force in the anchor groove. The air gap may amount to a maximum of 6% of the anchor diameter. With larger Air gap is the same course of the lines of force to achieve, however, the Economy through the then necessary higher excitation losses and Reinforcement of the pole yoke, resulting in the same force lines in the anchor slots leads to be greatly reduced.

Aus der Sättigung des Ankerzahnfußes und dem Luftspalt ergibt sich nach der bekannten Berechnungsart die zweckmäßigste Nutenbreite und Nutentiefe. l)tirch die oben angegebenen Mittel erreicht man bei gutem Füllfaktor in der Ankernut, also %oller @lusiiutztiiig des Wickelraumes, daß man die auf indirekte Weise bestimmten Zusatzverluste bis auf Null reduziert.From the saturation of the anchor tooth root and the Air gap According to the known type of calculation, the most appropriate groove width and Groove depth. l) The means given above are achieved with a good fill factor in the anchor groove, so% oller @lusiiutztiiig of the winding space that you can use the indirect Way, certain additional losses reduced to zero.

L1ni den Hauptanteil der wirklich auftretenden zus;itzlichen Verluste zu beseitigen, muß der Ankerleiter in der Ankernut nur in dem Teil liegen, wo der Kriiininungsfaktor im Induktionsvorgang am geringsti:n ist.L1ni the majority of the additional losses actually occurring to eliminate, the anchor conductor must be in the anchor groove only in the part where the The reduction factor in the induction process is lowest.

l,' iir c1eii Lau von elektrischen Maschinen wird die Nuteiiz.ilil sowie Nutenbreite und Nutentiefe so gew-;ihlt, daß bei richtigem Luftspalt und entsprechendem Sättigungsgrad die Kraftlinien so verlaufen, wie t\bb. 3 zeigt. Bei normaler Nutenfüllung entstehen, wie Abb. 3 a zeigt, in der Nähe der Nutenwände die größten zusätzlichen Verluste, weil die Kraftlinien dort die größte Krümmung aufweisen. Schwächt nian dagegen, wie Abb.3b zeigt, den Ouerschnitt uni die Hälfte und legt die Ankerleiter zur Mitte der Ankernut ein, so schaltet man den Hauptteil der für die zusätzlichen Verluste schädlichen Kraftlinien mit großem Krümmungsfaktor aus, und der Ankerleiter ist wesentlich höher zu belasten. [)er Hauptanteil der zur Erwärmung der Leiter führenden Zusatzverluste ist beseitigt.l, 'iir c1eii Lau of electrical machines will be the Nuteiiz.ilil as well as the width and depth of the groove so that with the correct air gap and the like Degree of saturation the lines of force run as t \ bb. 3 shows. With normal groove filling As Fig. 3a shows, the largest additional ones occur near the groove walls Losses because the lines of force show the greatest curvature there. Does not weaken on the other hand, as Fig.3b shows, the cross section uni half and lays the anchor ladder to the middle of the anchor groove, you switch the main part of the for the additional Losses from damaging lines of force with a large curvature factor, and the anchor conductor is to be loaded much higher. [) he main part of the heating of the conductor leading additional losses is eliminated.

Nachstehend folgt ein zahlenmäßiges Beispiel. Mine Gleichstrommaschine üblicher Bauart wies den ;\nkerzahii und die Ankernut mit Normalwicklung gemäß Ab). 4 auf. Felddichte, Luftspalt, Nutenzalil, N utenbreite und Nutentiefe bedingen den Kraftlinienverlauf, wie Abb. 4 zeigt. Nach der üblichen indirekten -,\leßmethode sind bei dieser Maschine die Zusatzverluste mit fast Null ermittelt worden. 1)ie Stromdichte wurde bei 57° Übertemperatur mit 4,6 Anip./mm2 ermittelt.Below is a numerical example. Mine direct current machine of the usual design had the; \ nkerzahii and the anchor groove with normal winding according to Ab ). 4 on. Field density, air gap, groove width, groove width and groove depth determine the course of the lines of force, as Fig. 4 shows. Using the usual indirect method, the additional losses on this machine have been determined to be almost zero. 1) The current density was determined at an excess temperature of 57 ° with 4.6 anip./mm2.

Nach der neu entwickelten direkten Meßmethode zur liestiininung der wirklich im Ankerleiter auftretenden Zusatzverluste sind diese mit 8% bei 4,6 @\inp. Stromdichte gemessen worden. Durch Verminderung des ilnkerleiterquerschnittes um 45')/o (1,9 - 5.5 "Im) und das Einlegen der Wickelspulen zur .\litte der Ankernut (32% Ausfüllung), wie .\b1). 4a zeigt, sind die wirklich auftretenden Zusatzverluste von 8% auf i bis 1'/2% vermindert worden, da im Induktionsvorgang die Kraftlinien den Ankerleiter am günstigsten schneiden und dadurch das Verhältnis der Zusatzverluste zu den Ohmschen Verlusten in ein optimales, bezogen auf die Leistung der Maschine, gebracht wird. Da nach der Umwicklung die wirklich auftretenden Zusatzverluste fast beseitigt worden sind, ist der neu gewählte Querschnitt des Ankerleiters mit i i Amp./mm2 zu belasten, ohne daß die zulässige Höchstwärme von 6o° Übertemperatur überschritten wird und der Wirkungsgrad sinkt. Dieser steigt nach einem bisher unbekannten Gesetz, welches in ursächlichem Zusammenhang mit Zusatzverlusten und Ankerstrom steht, an.According to the newly developed direct measurement method for reading the Additional losses that actually occur in the anchor ladder are 8% at 4.6 @ \ inp. Current density has been measured. By reducing the cross-section of the inner conductor by 45 ') / o (1.9 - 5.5 "Im) and inserting the winding bobbins to the middle of the armature groove (32% completion), like. \ B1). 4a shows are the additional losses that actually occur has been reduced from 8% to 1 to 1/2%, since the lines of force in the induction process cut the anchor conductor in the most favorable way and thereby the ratio of the additional losses to the ohmic losses in an optimal, based on the performance of the machine, is brought. Since after the wrapping the really occurring additional losses almost have been eliminated, the newly selected cross-section of the armature conductor is marked with i i Amp./mm2 to load without the permissible maximum heat of 60 ° overtemperature is exceeded and the efficiency drops. This rises after a previously unknown Law, which is causally related to additional losses and armature current is on.

Die Originalmaschine war mit Originalwicklung bei 230 Volt mit 155 Amp. zu belasten. Nach Umwicklung, wie Abb.4a zeigt, ist die Maschine bei 230 Volt, gleicher Umdrehungszahl und gleicher Lüftung mit 215 Amp. belastet worden, ohne daß die 6o° Übertemperatur überschritten worden sind, was eine 44fache Belastung der Maschine ausmacht.The original machine was to be loaded with original winding at 230 volts with one 55 amp.. After wrapping, as shown in Fig. 4a, the machine was loaded with 230 volts, the same number of revolutions and the same ventilation with 215 amps, without exceeding the 60 ° excess temperature, which makes 44 times the load on the machine.

Unter i sind die Ankerdurchmesser in Abhängigkeit von der Belastungssteigerung aufgetragen. Nach dieser Kennlinie muß die im Beispiel angeführte Maschine, welche einen Ankerdurchmesser von 28o mm hat, eine i,4fache Belastungsfähigkeit nach Umwicklung aufweisen.Under i are the anchor diameters depending on the increase in load applied. According to this characteristic curve, the machine listed in the example must which has an anchor diameter of 28o mm, 1.4 times the load capacity after wrapping exhibit.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Arrangement of inlaid conductors of electrical machines o. The like., Characterized in that the groove cross-section and the conductor cross-section are chosen such that the slot filling corresponds to the optimal ratio between the ohmic losses increasing with the progressive reduction of the conductor cross-section and those additional losses that occur with enlargement of the distance between the groove wall and the conductor as a result of the laying of the conductor in the area of the weaker curvature of the lines of force running from the groove wall to the air gap.

2. Arrangement according to claim i, characterized in that only that part of the groove is filled with the anchor conductor that is inside each Conductor results in the smallest voltage differences as a result of the induction process.

3. Arrangement according to claim i, characterized in that the armature conductor is profile copper serves, the shape of which adapts to the course of the lines of force so that the lines of force cut as vertically as possible.