DEP0036908DA - Elektrische Maschine oder Transformator - Google Patents

Description

Elektrische Maschinen und Transformatoren bestehen in ihrem grundsätzlichen Aufbau immer aus einem oder mehreren, ganz oder mindestens teilweise einbaugeschlossenen magnetischen Kreis mit mindestens einer stromdurchflossenen Wicklung. Es lassen sich sehr beachtliche Ersparnisse an Material, was sich sowohl auf das Fertigungsgewicht, als auch in den Herstellungskosten und im Gebrauchswert günstig auswirkt, erzielen, wenn man die Wicklung in jener Zone, wo der Wicklungsquerschnitt für die Eisenweglänge massgebend ist, mit reduziertem Leiterquerschnitt in dichtmöglichster Packung ausführt.

Die Ausführung einer elektrischen Maschine mit einer Wicklung, deren Leiter längs eines Windungsumfanges ungleiche Querschnitte aufweist, ist in Ö.P.9903 (Wait) vorgeschlagen, das im wesentlichen eine Erhöhung des spezifischen Strombelages am Läuferumfang einer Gleichstrommaschine zum Ziel hat, aber das ausschlaggebende Problem der Verlustabfuhr völlig offen lässt.

Das Schweizer Patent 223.637 (Hermes) bringt in dieser Hinsicht als Dimensionierungsregel die Angabe einer Querschnittsverminderung auf 10 bis 4% und erledigt die Frage der Verlustabfuhr mit ganz allgemeinen Hinweisen auf zusätzliche Hilfsmittel wie Kühlfahnen oder Kühlkanäle und dergleichen.

Eine praktisch ausnützbare Aufwertung des Grundgedankens muss vor allem dem Problem der Verlustabfuhr gerecht werden, das nur durch Tolerierung eines zusätzlichen Gliedes in der Serie der Wärmewiderstände, dem nötigen Temperaturgefälle für eine Wärmelängsleitung im Einzelleiter und dementsprechende Dimensionierung lösbar ist. Mit einer direkten Abfuhr der in der Zone mit geschwächten Leiterquerschnitt freiwerdenden Verlustwärme, also annähernd quer zum Einzelleiter kann nur in sehr beschränktem Ausmass gerechnet werden, weil sonst auch in dieser Zone Zirkulationsräume für das Kühlmittel vorgesehen werden müssten, die den Effekt der Verminderung der Leiterquerschnitte durch Verkleinerung des Füllfaktors sehr abschwächen würden.

Die Tolerierung des vorerwähnten zusätzlichen Gliedes in der Serie der Wärmewiderstände, also eine scheinbare Verschlechterung in der Auslegung der Wicklung bringt die Freiheit, diese in der Zone mit dem reduzierten Leiterquerschnitt möglichst dicht zu packen, wobei der Füllfaktor nur durch die Rücksichtnahme auf die Isolationssicherheit, dagegen keineswegs auf direkte Wärmeabfuhr, bzw. Kühlmittelzirkulation bestimmt wird und ergibt damit einen praktischen Effekt. Auf diese Art lässt sich, bezogen auf den Querschnitt des ungeschwächten Leiters, in der verdichteten Wicklungszone ein scheinbarer Füllfaktor erzielen, dessen Wert gegenüber den bisher üblichen sehr hoch liegt und etwa 3 bis 4 erreichen kann.

Über die Möglichkeit der Wärmelängsleitung bzw. über das dazu nötige Temperaturgefälle, geben die Fig. 1 bis 4 Aufschluss. Die Fig. 3 zeigt ein Leiterstück, bei dem auf die Strecke 2 lcu der Querschnitt im Verhältnis h/H = 1/ü vermindert ist. Es ist nun weiters gedacht, dass von dem geschwächten Leiterstück eine direkte Wärmeabfuhr an die äussere Umgebung nicht möglich ist, vielmehr eine vollkommene Wärmeisolierung besteht und die in diesem Leiterstück anfallende Verlustwärme nur längs des Leiters selbst, nach beiden anschliessenden, ungeschwächten Leiterstücken hin, abfliessen kann. Dieser Wärmefluss erfordert selbstverständlich ein entsprechendes Temperaturgefälle. Das Temperaturgefälle errechnet sich für Kupfer nach der Formel wobei i(sub)s die spezifische Stromdichte in A/mm(exp)2 in diesem Leiterstück, l(sub)cu die Leiterlänge in cm bedeutet. Handelt es sich um einen Leiter, der bereits im vollen Querschnitt die Stromdichte i(sub)s besitzt und dessen Querschnitt auf einem Stück im Verhältnis h/H - 1/ü reduziert ist (Fig. 3), so errechnet das Temperaturgefälle zu

Moderne elektrische Maschinen arbeiten im Mittel bereits mit einer Stromdichte von 4 A/mm(exp)2. Eine Reduktion des Querschnittes an Teilstücken des Leiters auf 4%, im Sinne des vorerwähnten Schweizer Patentes würde also einer Stromdichte von 100 A/mm(exp)2 entsprechen. Bei dieser Stromdichte ergibt sich auf den ersten cm Wärmelängsleitung aus Diagramm Fig. 1 bereits ein Temperaturgefälle von 30°C, für 5 cm Wärmelängsleitung schon der völlig unmögliche Wert von 750°C.

Die angegebene Dimensionierungsregel ist also vielleicht für Miniaturapparate, Relais u.dgl. brauchbar, versagt aber schon im kleinen und mittleren Leistungsbereich elektrischer Maschinen und Transformatoren vollständig. Eine praktisch ausnützbare Anwendung des Prinzips auf Maschinen oder Transformatoren von auch nur wenigen kW Leistung erscheint nach der vorangeführten Dimensionierungsregel, wie die angeführten Rechnungswerte für das nötige Temperaturgefälle zeigen, zwecklos.

Trotzdem lassen sich wirtschaftlich recht beachtliche Erfolge erzielen, sofern Dimensionierung und Ausführung so erfolgt, dass:

a) ein Temperaturgefälle für Wärmelängsleitung von etwa 30% des gesamten zwischen höchstzulässiger Wicklungstemperatur und Kühlmitteltemperatur vorhandenen Gefälles vorgesehen wird, b) die Wicklung ausserhalb der eisenumschlossenen Zone grossflächig und aufgelockert ausgeführt wird, wobei vorzugsweise jede einzelne Windung mindestens aber Gruppen ganz weniger Windungen selbstständige flächenhafte Kühlelemente bilden.

Günstigere Verhältnisse, d.h. kleinere Temperaturgefälle bzw. grössere durch Wärmeleistung überbrückbare Strecken ergeben sich, wenn die Querschnittsreduktion nicht entsprechend Fig. 3 über ein endliches Stück konstant gehalten, sondern nur in Form eines Einschnittes nach Fig. 4 vorgesehen wird. Das Temperaturgefälle errechnet sich dann zu an Stelle des Korrektionsfaktors ü(exp)2 tritt also der Wert der wie aus Diagramm Fig. 2 ersichtlich ist, besonders bei höheren Werten von ü, beachtlich kleiner bleibt. Die Einsparung an notwendigem Temperaturgefälle ist wie aus Diagramm Fig. 2 zeigt, besonders bei höheren Werten von ü überraschend hoch.

Eine derartige Formgebung für den Leiter ist sinngemäss ausgeführt, beispielsweise bei Transformatoren mit annähernd rundem oder ovalem Schenkelquerschnitt und Rundspulen, besonders vorteilhaft (Fig. 5).

Durch die Reduktion des Leiterquerschnitttes zusammen mit der Erhöhung des Füllfaktors wird nicht nur eine beachtliche Verkürzung der Eisenweglänge erreicht, man kann unter diesen Umständen auch die Sättigung höher wählen, also entweder an Eisenquerschnitt oder an Windungszahlen einsparen und damit die Materialausnützung nochmals wesentlich verbessern.

Die in der dichtgepackten, mit geschwächtem Leiterquerschnitt ausgeführten Zone freiwerdende Verlustwärme wird also aus dieser Zone im wesentlichen durch Wärmelängsleitung nach der Zone der Wicklung mit ungeschwächtem Leiterquerschnitt hin abgeführt. Das für diesen Wärmefluss vorzunehmende Temperaturgefälle kann auch bei grösseren Maschinen und Transformatoren in durchaus tragbaren Grenzen gehalten werden, (Abb. 1 bis Abb. 4) und braucht 30% des gesamten zwischen Wicklungshöchsttemperatur und Kühlmitteltemperatur zur Verfügung stehenden Gefälles nicht überschreiten.

Die Ausführung der Wicklung in der Zone mit ungeschwächtem Leiterquerschnitt hat nun vor allem darauf Bedacht zu nehmen, dass dieser Wicklungsteil nicht nur seine eigenen Verluste, sondern auch die Verluste aus der anderen

Zone an das Kühlmittel abzuführen imstande sein muss. Die Wicklung wird daher in dieser Zone stark aufgelockert und grossflächig ausgeführt, beispielsweise so, dass jede einzelne Windung, mindestens aber jede Windungsgruppe von ganz wenigen (2 bis 4 Windungen) als selbstständiges, flächenhaftes Kühlelement wirkt. Die Abb. 5 zeigt dafür als Ausführungsbeispiel einen Transformator mit Hochkantringwicklung.

Die Abb. 6 zeigt zeigt einen Transformator mit einer Wicklung aus bandförmigem Leitermaterial, das flach auf Zylinderflächen gewickelt ist.

Für das Ausmass der Auflockerung kann ein dem Füllfaktor äquivalenter Kennwert als Verhältnis von Summe der Leiterquerschnitte zur Summe der Wicklungsfläche definiert werden, der bei natürlicher Luftkühlung mit etwa 0,2, vorzugsweise kleiner zu wählen ist. Zur Definition der vorerwähnten Grossflächigkeit kann, wieder bei natürlicher Luftkühlung, eine Beanspruchung von etwa 500 W pro m(exp)2, vorzugsweise weniger, als Richtlinie gelten.

Wenn auch bei einem derartig ausgeführten Transformator zugegebenerweise an den Isthmusstellen der Stromleiter merklich erhöhte Verluste auftreten, so wird dies doch durch die verringerten Gesamtabmessungen und Gesamtgewichte kompensiert, so dass sich im Endergebnis etwa derselbe Wirkungsgrad wie für einen normal gebauten Apparat gleicher Leistung erreichen lässt.

Die Ersparnisse an Material, bzw. Fertiggewicht, die auf dem angegebenen Weg erzielt werden können, sind ausserordentlich; beispielsweise lässt sich an einem Streutransformator, welche Maschinentype für die Anwendung der vorbeschriebenen Baugrundsätze besonders günstige Voraussetzungen mitbringt, 60 bis 70% des bisher üblichen Gewichtes an aktivem Material einsparen.

Die praktische Auswertung der vorstehenden Überlegungen ist an eine wirtschaftliche Fertigung der notwendigen Isthmuswicklung an sich und an eine den Bedingungen gerecht werdende Wicklungsanordnung gleichermassen gebunden. Eine gut brauchbare Isthmuswicklung ergibt sich aus der im Elektromaschinenbau unter der Bezeichnung Blankpolwicklung bekannten Wicklung durch einen einfachen zusätzlichen Arbeitsvorgang.

Die Blankpolwicklung besteht aus hochkantgebogenem Leitermaterial von rechteckigem und annähernd rechteckigem Querschnitt und wird vorzugsweise für Rundspulen verwendet. Eine derartige Wicklung wird zur Isthmuswicklung durch Wegnahme eines Segmentes, wobei es belanglos ist ob die Abnahme der Segmente windungsweise durch Schneiden oder an der kompletten Spule durch Hobeln oder Fräsen erfolgt. Die Abb. 7 zeigt eine derartige Spule, die Abb. 5 ihren Einbau am Transformator. In der Abb. 5 ist deutlich die dichtgepackte Zone mit reduziertem Leiterquerschnitt bzw. die Auflockerung der Wicklung in der Zone mit ungeschwächtem Querschnitt durch entsprechendes Zurechtbiegen der einzelnen Windungselemente erkennbar.

Bei Ausführen eines Transformators mit ringförmigem Eisenkern kann dieser letztere Arbeitsgang, das Biegen der Windungselemente erspart werden, da sich dabei die notwendige Auflockerung in der Kühlzone der Wicklung zufolge der räumlichen Anordnung - richtig gewählte Proportionen vorausgesetzt - von selbst ergibt.

Die einfache Hochkantisthmuswicklung nach Abb. 7 kann sofern höhere Windungszahlen notwendig sind, entsprechend der Abb. 8 modifiziert werden. Diese Wicklung besitzt dann zwei oder mehrere ineinander geschobene Einzelspulen. Bei der äussersten Spule erfolgt die Isthmusbildung wie frührer durch Abnahme eines Segmentes, während bei den inneren Spulen ein mondsichelförmiger Flächenteil abgenommen wird.

Die bisher beschriebenen Ausführungsvarianten betreffen Transfomatoren mit Scheibenspulenanordnungen, für welche die Hochkantwicklung mit Rücksicht auf die Zusatzverluste besonders empfehlenswert erscheint. Grundsätzlich können aber auch Anordnungen ohne Benützung einer Hochkantwicklung ausgeführt werden, dafür bringt die Abb. 6 ein schematisches Beispiel. Als Wicklungsmaterial dienen Bänder, bei denen der Isthmus durch entsprechenden Zuschnitt, Abb. 9, hergestellt wird. Die Auflockerung der Wicklung erfolgt durch Anordnung der Einzelwindungen oder der Windungsgruppen auf achsparallelen Zylindern.

Den bisher beschriebenen Verfahren zur Isthmusbildung ist gemeinsam, dass der rechteckige oder annähernd rechteckige Querschnitt des ungeschwächten Leiters zonenweise in seiner Breite reduziert wird, während die Bandstärke unverändert bleibt. Man kann aber auch umgekehrt die Leiterbreite über den ganzen Windungsumfang belassen, dagegen seine Stärke zonenweise durch Quetschen, Pressen oder Walzen reduzieren. Auch die Kombination beider Verfahren, also eine Reduktion sowohl der Breite als auch der Stärke nach ist möglich.

Claims (7)

1. Elektrische Maschine oder Transformator, bestehend aus mindestens einem, mindestens teilweise eisengeschlossenen magnetischen Kreis und mindestens einer stromdurchflossenen Wicklung, deren Leiter längs eines Windungsumfanges mindestens zwei Zonen aufweisen, wobei in der Zone, deren Leitersummenquerschnitt für die Eisenweglänge massgebend ist, der Leiterquerschnitt reduziert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung in der vorerwähnten Zone dicht gepackt mit höchstmöglichem nur aus Isolationsgründen bedingten Füllfaktor ausgeführt ist, wobei dimensionierungsmässig ein Temperaturgefälle, das einem Bruchteil des gesamten zwischen maximal zulässiger Wicklungstemperatur und Kühlmitteltemperatur bestehenden Gefälles, maximal etwa 30% davon, entspricht zwecks Abfuhr der Verluste vorgesehen wird und zwar nach der anderen Wicklungszone hin, die mit ungeschwächtem Leiterquerschnitt stark aufgelockert und grossflächig hergestellt wird, wobei vorzugsweise jede einzelne Windung, mindestens aber jede Gruppe von höchstens zwei bis vier Windungen als selbstständiges Kühlelement wirkt.

2. Wicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Isthmus der Wicklung, bzw. Windung durch Wegnahme eines Segmentes einer vorzugsweisen runden Spule aus Hochkantmaterial gebildet wird.

3. Wicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere hochkantgewickelte Spulen ineinander geschachtelt werden, wobei für die äussere Spule der Isthmus nach Anspruch 2 hergestellt wird, während er für die inneren Spulen durch Wegnahme entsprechender mondsichelförmiger Flächenteile erzeugt wird.

4. Wicklung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflockerung in der Zone mit ungeschwächtem Leiterquerschnitt durch entsprechendes Zurechtbiegen der einzelnen Windungselemente erfolgt.

5. Wicklung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflockerung in der ungeschwächten Zone durch Verwendung eines Ringkernes und annähernd radiale Anordnung der einzelnen Windungselemente erreicht wird.

6. Wicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bandförmiges Material flach zu Spulen gewickelt wird, wobei die Isthmusbildung durch zonenweise Reduktion der Bandbreite mittels Stanzen oder Beschneiden erfolgt, während die Auflockerung der Wicklung durch ihre Anordnung auf achsparallelen Zylindern geschieht.

7. Wicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bandförmiges Material flach zu Spulen gewickelt wird, wobei die Isthmusbildung durch zonenweise Reduktion der Bandstärke durch Pressen, Quetschen oder Walzen erfolgt.