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Flüssigkeitsgekühlte Ständerwicklung mit aus Hohlleitern bestehenden,
verdrillten Leiterstäben für elektrische Maschinen, insbesondere Wechselstromgeneratoren
Für elektrische Generatoren, insbesondere Turbogeneratoren haben flüssigkeitsgekühlte
Ständerwicklungen im Hinbick auf die geforderten außerordentlichen Leistungssteigerungen
große Bedeutung gewonnen. Die Ausbildung derartiger Wicklungen bereitet nun in verschiedener
Beziehung erhebliche Schwierigkeiten, die einerseits durch das Erfordernis der Kühlmittelanschlüsse,
andererseits durch die großen für die Zusatzverluste maßgebenden Streufelder bedingt
sind. Infolge der außerordentlich erhöhten Ströme müssen besondere Maßnahmen zur
Beseitigung der durch die Stirnstreufelder hervorgerufenen Zusatzverluste getroffen
werden. Führt man derartige Wicklungen in an sich bekannter Weise aus Hohlteilleiterstäben
aus, deren einzelne Teilleiter an den Schaltverbindungsstellen der Stabenden durch
die Kühlmittelzuführung ermöglichende Metallhülsen kurzgeschlossen werden, so werden
innerhalb jedes Stabes Kurzschlußströme führende Leiterschleifen gebildet. Den gleichen
Nachteil weisen auch solche Wicklungen bekannter Ausführung auf, bei denen die Enden
der einzelnen Stableiter durch Muffen mit Kühlmittelanschlußkanälen verbunden sind,
welche die Schaltverbindung durch Verbindungslaschen in aus Isoliermaterial bestehenden
Kühlmittelanschlußhülsen ermöglichen. Die übliche Leiterverdrillung im Nutbereich
ist für die Stimstreuspannungen wirkungslos. Um nun bei Wicklungen flüssigkeitsgekühlter
Ständerwicklungen mit Stäben aus in sich verdrillten Hohlteilleitern unter Verwendung
von metallischen Anschlußhülsen, die gleichzeitig der Schaltverbindung und der Kühlmittelzuleitung
dienen, eine Herabsetzung der Zusatzverluste durch die Stirnstreufeldspannungen
auf praktisch bedeutungslose Werte zu erreichen, wurde bereits eine Ausbildung derartiger
Wicklungen vorgeschlagen, bei der die Wicklung aus einer größeren Anzahl von Verdrillungsstrecken
zusammengesetzt ist, an deren Anfang und Ende die Kühlmittelzu- und -ableitung erfolgt.
Hierbei sind die innerhalb der Verdrillungsstrecken voneinander isoliert durchgehend
leitend verbundenen Hohlteilleiter in einer Verdrillungsschleife so gegeneinandergeschaltet,
daß sich die durch die Streufelder hervorgerufenen Zusatzspannungen innerhalb jeder
Verdrillungsstrecke aufheben.
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Bei einer derartigen Wicklung ist es zwar möglich, in besonders vollkommener
Weise die Zusatzverluste in der Maschine, auch soweit diese durch die Stirnstreufelder
hervorgerufen werden, zu unterdrücken. Jedoch bedingt diese Schaltung eine größere
Anzahl von Verdrillungs- oder Gegenschaltungsschleifen, wodurch die Fertigung der
Wicklung in gewissem Umfang kompliziert wird. Diese Wicklung ist auch an das Vorhandensein
einer bestimmten Anzahl von in Reihe geschalteten Stäben je Polteilung gebunden,
so daß sie nicht unter allen Verhältnissen ausgeführt werden kann.
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Die Erfindung geht von der durch Versuche gewonnenen neuen Erkenntnis
aus, daß die vorerwähnte Anordnung in zahlreichen Fällen durch den Verzicht auf
eine Verdrillung bzw. Gegenschaltung im Bereiche der Wickelköpfe innerhalb der zwischen
den Kühlmittelanschlüssen liegenden, mehrere Wicklungen umfassenden Wicklungsabschnitte
erheblich vereinfacht werden und gleichzeitig bezüglich der Stabzahlen bei der Ausführung
eine größere Freiheit gewonnen werden kann.
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Erfindungsgemäß wird hierbei die aus in sich verdrillten Stäben zusammengesetzte
Wicklung derart ausgebildet, daß innerhalb der mehrere Spulen oder Spulenseiten
umfassenden Wicklungs- und Kühlabschnitte die durchgehend verbundenen und durchgehende
Kühlkreise bildenden, untereinander verdrillten Teilleiter unter Aufrechterhaltung
der Isolierung gegeneinander lediglich durch einfache, insbesondere U-förmige Rohrverbinder
unter Vermeidung einer Gegenschaltung oder Verschränkung in den Stirnverbindungen
jeweils einzeln in Reihe geschaltet sind.
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Erwähnt sei, daß an sich ein anderes Wicklungssystem ohne Teilleiterverdrillung
innerhalb der Nuten bekannt ist, bei dem zur Aufhebung des Einflusses sämtlicher
Streuspannungen an den Stableiterenden durch Verbindungslaschen die die Kühlkanäle
einschließenden Stableiter unter gegenseitiger Verschränkung miteinander in Reihe
geschaltet sind. Die Kühlmittelzuführung erfolgt dabei durch gesonderte
Isolierkanäle
zwischen Sammelkammern des Gehäuses und den Kühlkanälen zwischen den Teilleitern.
Eine derartige Anordnung läßt sich jedoch mit der erfindungsgemäßen Lösung nicht
vergleichen, da infcige des Fehlens der Verdrillung in dem Nutenteil de- gäbe sowie
der Unmöglichkeit einer feineren Unterteilung der Stableiter der Herabsetzung der
Zusatzverluste Grenzen gesetzt sind, innerhalb des Wicklungssystems erhebliche Spanr_ungsunterschiede
zwischen den Teilleitern eintreten müssen und fertigungsmäßig wegen des Anschlusses
zahlreicher Einzelkanäle aus Isoliermaterial an die Stabkühlkanäle verhältnismäßig
ungünstige Verhältnisse gegeben sind.
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Im folgenden soll die Erfindung näher an Hand eines Ausführungsbeispieles
erläutert werden.
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F i g. 1 der Zeichnung gibt im Prinzip abgewickelt einen Ausschnitt
der Maschine mit dem Eisenblechpaket und einem darin angeordneten Wicklungsstrang
wieder; F i g. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen Leiterstab der Wicklung; in
F i g. 3 ist schematisch die Schaltung der Teilleiter gemäß der Erfindung innerhalb
eines Wicklungs- oder Kühlabschnittes wiedergegeben; F i g. 4 zeigt die Ausbildung
einer Verbindungs-und Schaltstelle der Leiterstäbe innerhalb eines Wicklungs- oder
Kühlabschnittes; in F i g. 5 schließlich ist ein Schnitt durch eine Anschluß- und
Verbindungskappe gezeigt, wie sie an den Verbindungsstellen innerhalb der Wicklung,
an denen das Kühlmittel zu- und abgeführt ist, vorhanden sind.
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F i g. 1 zeigt schematisch in Abwicklung den Eisenkörper einer elektrischen
Maschine z. B. eines Wechselstromgenerators mit einem Wicklungsstrang (Phasenstrang).
Zur Vereinfachung sind die weiteren Wicklungsstränge, wie sie bei Mehrphasenmaschinen
erforderlich sind, nicht dargestellt. Die Wicklung, welche als Schleifenwicklung
ausgebildet ist, wird hierbei durch die in Reihe geschalteten Windungen 1 bis 4
gebildet. Zur Vereinfachung sind nur vier Windungen angedeutet. Selbstverständlich
kann jedoch eine größere Windungszahl je Phasenstrang vorhanden sein. Die einzelnen
Windungen sind aus den Oberstäben 10 bis 40 und Unterstäben 1u und 4u zusammengesetzt.
Die am Maschinenumfang versetzten Stäbe sind in der Reihenfolge 10-1Ü-20-2u
...
40-4u verbunden.
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Die Bezeichnungen Oberstäbe und Unterstäbe geben die Lage der Stäbe
in den Nuten an, d. h. ob ein Stab in dem unteren oder oberen Teil der Nut liegt.
In der Figur sind noch mit e der Eisenkörper der Maschine und mit n die Nuten, in
welchen die Leiterstäbe liegen, bezeichnet. Jeder Leiterstab besteht aus einem geraden,
in den Nuten des Eisenkörpers liegenden Stabteil sowie dem abgebogenen Wickelkopf-
oder Stirnkopfteil. An den Enden der Stirnkopfteile sind die Stäbe leitend miteinander
verbunden.
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Die einzelnen Ober- und Unterstäbe der Leiter haben einen Querschnitt
gemäß F i g. 2. Sie sind aus einzelnen hohlen Teilleitern 1 zusammengesetzt, die
in zwei Reihen nebeneinander liegend angeordnet sind und innerhalb des in den Nuten
der Maschine liegenden geraden Teiles der Stäbe nach dem Roebelprinzip verdrillt
sind, um über die Stablänge innnerhalb des Eisenkörpers der Maschine die Eizeugung
ungleicher Zusatzspannungen durch das veränderliche Nutenstreufeld und damit die
hierdurch bedingten Zusatzverluste zu verhindern. h ist die den zusammengesetzten
Stab umgebende Isolierhülse.
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Die erfindungsgemäße Wicklung zeichnet sich nun dadurch aus, daß die
Wicklung bzw. jeder Phasenstrang in eine Anzahl gleicher, mehrere Windungen umfassender
Wicklungs- oder Kühlabschnitte unterstellt ist. Bei dem in F i g. 1 gezeigten Beispiel
bilden die Windungen 1 und 2 sowie 3 und 4 je einen Wicklungs- oder Kühlabschnitt
A bzw. B, wobei die Kühlmittelzu- und -ableitung bei a und
b bzw. c und b erfolgt. Nur an diesen Stellen sind die Hohlleiter
innerhalb des Wicklungsstranges durch gleichzeitig die Kühlmittelführung ermöglichende
metallische Verbindungskappen, welche über die Enden der Stirnkopfteile der zusammengeschalteten
Stäbe geschoben sind, leitend verbunden. Innerhalb jedes Wicklungs- oder Kühlabschnittes
sind im übrigen die hohlen Teilleiter jedes Stabes unter Aufrechterhaltung der Isolierung
gegeneinander zur Vermeidung einer Kurzschlußverbindung durch Löten oder Schweißen
verbunden.
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F i g. 3 der Zeichnung gibt schematisch genauer die Anordnung und
Schaltung der Teilleiter des aus den Windungen 1 und 2 gebildeten
Wicklungsabschnittes A wieder. Zur Vereinfachung ist angenommen, daß jeder, der
die Windungen 1 und 2 bildenden Leiterstäbe l0, 1u bzw. 20, 2u aus
fünf Teilleitern 101 bis 105 « 1u i bis 1u5 bzw. 20i bis 205 und 2u
1 bis 2u" zusammengesetzt ist, die innerhalb der Stäbe in üblicher Weise in zwei
Teilleiterreihen angeordnet und nach dem Roebelprinzip verdrillt sind.
ä und b' bedeuten in dieser Figur die Verbindungskappen, über welche
das Kühlmittel dem aus den Windungen 1 und 2 bestehenden Wicklungsabschnitt
zu- und abgeleitet wird. Die Kappe b' dient gleichzeitig zur Schaltverbindung mit
dem angrenzenden aus den Windungen 3 und 4 bestehenden Wicklungsabschnitt (vgl.
F i g. 1) sowie der Kühlmittelableitung von diesem Abschnitt.
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F i g. 4 der Zeichnung veranschaulicht im einzelnen noch die Verbindung
der Hohlteilleiter der Stäbe, an den in den F i g. 1 und 3 mit x, x', x"
bezeichneten Verbindungsstellen. Die in einer Radialebene gruppenweise mit verschiedenem
Abstand von der Maschinenachse angeordneten Enden der Leiterstäbe 101 bis
10,5 bzw: 1u i bis 1U5 sind hierbei durch die U-förmigen Rohrverbinder r1 bis r5
mit verschiedener Weite verbunden. Die Rohrverbinder sind mit den Teilleitern durch
Verlötung oder Verschweißung an einem überlappenden Teil verbunden.
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F i g. 5 gibt ferner noch im Schnitt die Ausbildung einer Verbindungskappe,
beispielsweise an der Kühlmittelableitstelle b der Wicklung wieder. Ober-und Unterstab
30 bzw. 2u sind in der Kappe 11 zusammengefaßt und abgedichtet leitend mit der Kappe
verbunden. Zur Verbesserung der elektrischen Verbindung kann noch eine zusätzliche
Schalthülse 10 vorhanden sein, 12 bedeutet einen innerhalb der Kappe liegenden Kühhnittelführungsraum,
13 einen Stutzen zum Anschluß einer z. B. aus Isoliermaterial bestehenden Flüssigkeitsleitung.
Wie durch Pfeile angedeutet ist, kann aus der Zuleitung 14 durch den Kühlmittelführungsraum
12 den einzelnen Hohlteilleitern das flüssige Kühlmittel zuströmen, wobei sämtliche
Teilleiter durch die Kappe sowie durch die gegebenenfalis zur Kontaktverbesserung
vorgesehene Schalthülse 10 kurzgeschlossen sind.
Die erfindungsgemäße
Kombination von Kühlmittelkreisen mit der durchgehenden Schaltung der Teilleiter
der mit einer Verdrillung, z. B. nach dem Roebelprinzip, ausgeführten Leiterstäbe
innerhalb begrenzter Abschnitte der Wicklung bzw. Wicklungsstränge ermöglicht, eine
besonderers günstige Wicklungsausbildung zu erzielen. Die einzelnen, die Spulen
oder Windungen bildenden Stäbe sind - abgesehen von den Flüssigkeitsanschlüssen
an ihren Enden innerhalb der Wicklungs- oder Kühlabschnitte - durchgehend durch
gleiche einfache U-förmige Verbinder in Reihe geschaltet. Die Zahl der Anschlußkappen
und damit der Kühlmittelleitungen kann wirksam herabgesetzt werden, wobei Kühlmittelerwärmung
und Druckabfall innerhalb der Rohrkanäle in niedrigen Grenzen bleiben. Die Reihenschaltung
der Hohlteilleiter innerhalb der Wicklungs-oder Kühlabschnitte hat gleichzeitig
zur Folge, daß auch durch die Stirnstreufelder keine größeren Zusatzverluste hervorgerufen
werden, weil die Zahl der kurzschließenden Kappen verringert ist und weil die von
den Stirnstreufeldern durch Induktion von Zusatzspannungen hervorgerufenen Kurzschluß-
oder Schleifenströme innerhalb der in den Wicklungsabschnitten durch die kurzschließenden
Verbindungskappen an den Enden gebildeten Schleifen bedeutend herabgemindert werden.
Dies ist dadurch bedingt, daß durch die Reihenschaltung der hohlen Teilleiter der
ohmsche Widerstand in den entstehenden Leiterschleifen in größerem Maße anwächst
als die geometrische Summe der von den Stirnstreufeldern hervorgerufenen Zusatzspanungen
in den versetzten und in bezug auf das Streufeld eine verschiedene Lage einnehmenden
Teilleiter. Infolgedessen tritt eine wesentliche Herabsetzung der Amplitude der
noch auftretenden Kurzschluß- oder Schleifenströme ein, wodurch wegen der quadratischen
Abhängigkeit der Verluste von den Strömen die von den Stirnstreufeldern hervorgerufenen
Zusatzverluste erheblich herabgesetzt werden. Von Bedeutung ist in diesem Zusammenhang,
daß durch die erfindungsgemäße Schaltung der vollkommene Ausgleich der Nutenstreufeldspannungen
durch die Verdrillung, z. B. nach dem Roebelprinzip, nicht beeinträchtigt wird.