DE2212874A1

DE2212874A1 - Wicklungsanordnung fuer dynamoelektrische Maschine

Info

Publication number: DE2212874A1
Application number: DE19722212874
Authority: DE
Inventors: Harrington Dean Butler
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1971-03-18
Filing date: 1972-03-17
Publication date: 1972-09-28
Also published as: CA943604A; FR2128887A1; DE2212874B2; FR2128887B1; JPS4731103A; GB1347584A; IT947997B; DE2212874C3; JPS5233763B1; US3652888A

Description

Ί1 ο kl ungo=a no rdnung I i i r dynamo e L ο k I r i a oh ο Ma s chine

DLe Erfindung bezieht sich '-allgemein auf ^!f/i ο kl ungs anordnungen für mehrphasige dynamoelektrische Maschinen mit mehreren parallelen Zweigen und insbesondere auf eine zweipolige dynamoelektrische Maschine mit 45 Nuten, 3 Phasen sowie 3 parallelen Zweigen pro Phase.

bin herkömmlicher turbinengebriebener, mehrphasiger Generator mit großen Abmessungen umfifit ein stationäres Ankerelement; und ein damit zusammenarbeitendes, rotierendes FeIdeLement. KLn derartiger Genera bor t'ann eine dreiphasige elektrische Leistung bei einer Frequenz von 60 Hz erzeugen, wobei da:-; J'olde Lernen t mit 3600 Umdrehung en pro Min. umLäuft, wenn es ;;loh urn <tine zweipol Lgo Konnfcruk ti on !rinde"! b. In dem Generator Ist das Ankwe 1 emont oder der Korn aurs magnetisierbarer Material herges t,^r;l 11 und norma Lerv/ei se mit einer Larigger: treckten, z/l ui'i^fi-ri"i>riii \.'ja-.u -ö|' {."nun,"· Vfifsehen. 'iiefic

OBIGINAt. 'onoo/. n/maß

führt durch den Kern hindurch und steht rnib einer Anzahl im V/inkel mit Abstand angeordneter '//icklungsnuben in Verbindung, in denen eine zusammengesetzte dreiphasige Ankerwicklung gebragen ist. Die Ankerwicklung umfaßt drei einzelne Phasen, die zur Speisung der Last häufig im 3bern geschaltet sind. Auch das Fel'lelement ist aus magnetisierbarer Material hergencellt und int normalerweise ein langgestreckter, zylindrischer-^o bor und trägt eine Feldwicklung. Das Feldelemenb ist in der Ankeröfxnung angeordnet und induziert bei Rotabion in den entsprechenden Phasen der Ankerwicklung Phasenspannungen.

Üblicherweise enthalt jede Phase der Ankerwicklung eine .mzahl von Zonenbreiten die jeweils mit zahlreichen, in Reihe geschalteten Spulen versehen sind, die jeweils zwei Spulenseiten besitzen. Die Spulenseiten sind in den Wicklungsnuten des Ankerelementes verbeilbo DLe Ankerwicklung ist in zwei 'Schichten angeordnet, so daß jede Wicklungsnut zwei der Spulenseiten aufnimmt, die in dem Ober- und Unterteil der Nut angeordnet sind. Jede der Spulensei ten weisb eine isolierende Hülle auf, d±^. entaprechende Leiter umgibt, um die ^pulenseite gegenüber der benachbarten Soulenseite und ■ dem Ankerelement elektrisch zu isolieren.

In direkt gekühlten Maschinen nimmt jede Wicklungsnub auch eine Einrichtung zur Kühlung der zwei enthaltenen Spulenseiten auf. Eine derarbige Kühleinrichtung weist üblicherweise eine Führungsanordnung auf, durch die eine Strömung von Luft oder einem anderen Gas oder eine Flüssigkeitsströmung hindurohgedrückt wird; infolgedessen muß jede der Nuten zwei Spulenseiten und desgleichen die Kühleinrichtung hierfür aufnehmen. Dabei umfaßt jede der Spulenseiten die Spulenleiter und die sie umgebende Ioolierhüllte,,

Bei der derzeitigen Entwicklung von Mehrphasengeneratoren besteht ein immer steigendes Bedürfnis an größeren Nenn-Ltiiu bungen. Dadurch führt Abv Kampf um Flaum im Anker zwi-

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sehen dessen magnetischem Material und den darin befindlichen Wicklungsnuten und unter den verschiedenen in jeder Wicklungsnut angeordneten Elementen zu Konstruktionsproblemen von immer steigender Komplexität.

Um eine maximale Ausgangsleistung von einem Mehrphasengenerator mit gegebenen physikalischen Abmessungen zu erhalten, ist in dem US-Patent 2 778 963 beschrieben worden, jede Phase ier Ankerwicklung mit drei parallelen Zweigen zu versehen, die in einem Paar in Reihe geschalteter Abschnitte angeordnet sind, die sich auf entsprechende Weise in einem Paar entgegengesetzt gepolter Zonenbreiten befinden. Dabei sind die Spulenseiten der drei parallelen Zweige in einer vorbestimmten Folge in den Hüten in den Zonenbreiten angeordnet, um einen minimalen Spannungs- und Phasenunterschied (Unsymmetrie) unter den drei einzelnen Zweigen der Phase zu erhalten.

Verbesserungen des oben erwähnten US-Patentes 2 778 963 sind in dem US-Patent 3 152 273 beschrieben,, Dort wird ein Wickelschema angegeben, das für dynamoelektrische Maschinen mit drei parallel geschalteten Zweigen pro Phase geeignet ist, wobei die Spulenseiten in einer vorbestimmten und verbesserten Folge in der Hüten in zwei Zonenbreiten angeordnet sind, um so eine minimale Spannunga- und Phasenunsymmetrie unter den einzelnen der drei parallelen Zweige in der Phase zu erhalten. Gleichzeitig wird für Einfachheit der mechanischen Konstruktion und Anordnung der Spulen mit den drei Zweigen der Phase gesorgt. Speziell ist dort eine Vicklungsanordnung für einen 72 Nuten aufweisenden Generator mit sehr kleinen Werten der Spamium-üunsymmetrie und vollständigem h'ehlen der Phasenunsymme trie switch en den Zweigen beschriebyn, wodurch ö'i.^r kl ein ο T er to der "rel^tiv^n Erwärmung" gegeben sind, die ein Ma.V. i'^:ir Eignung einer -Vicklun-r mit mehreren parallelen Zweigen ist_o

Di'j ob'.n erv/ähnUn U.'-J-P-i ^nte °. 778 96'i- uni 3 V>2 273 wr-r-

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den duroh diese Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen·

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In einigen öenerjatorkonetruktionen werden gewieee wirteohaftliche und technische Torteile dadurch ereielt, daß die Ansahl der Ankernuten verkleinert wird. Diee gilt insbeeondere für direkt gekühlte Generatoren mit βehr großen Nennleistungen. Wenn es wünschenswert ist, die Ankerstabkräfte zu verkleinern, indem viele parallele Zweige verwendet werden, ist es im allgemeinen nooh schwieriger, geeignete Wicklungsanordnungen zu finden, die die Unsymmetrie Bwieohen den parallelen Zweigen verkleinern, da sich die Anzahl dieser Zweige vergrößert und die Anzahl der Nuten verkleinert. Es eel darauf hingewiesen, daß die ^utenzahl in einer dreiphasigen Wicklung mit drei parallel geschalteten Zweigen pro Phase durch 9 teilbar sein muß. Beispielsweise gibt die herabsetzung der Nutenzahl von dem 72 Nuten aufweisenden Wickelschema, das in dem oben erwähnten US-Pattnt 3 152 273 beschrieben ist, die Möglichkeit für 63, 54» 45 .......etc. Nuten. Bisher sind Bestrebungen, die Nutenzahl auf 45 herabzusetzen, ohne wesentliche Kreie-Btröme unter den drei Zweigen hervorzurufen, nicht erfolgreich gewesen.

Es 1st deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Wicklungsanordnungen für eine zweipolige dynamoelektrische Maschine mit 45 Nuten, 3 Phasen sowie 3 parallelen Zweigen pro Phase zu schaffen, die annehmbar kleine Kreisströme zwischen den parallelen Zweigen aufweisen.

Diese Aufgabe wird, kurz gesagt, dadurch gelöst, daß eine Mehrphasenwicklung mit drei parallelen Zweigen pro Phase geschaffen wird, wobei die Zonenbreite mit der größeren Anzahl von Spulen 4 Spulen von dem ersten Zweig und 2 Spulen von jedem der übrigen 2 Zweige enthält. Dabei sind die Spulenselten in einer derartigen Weise angeordnet, daß die Unsymmetrie auf ein Minimum herabgesetzt ist.

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Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher be- · schrieben. . "

Fig. 1 ist eine diagrammatische Darstellung eines Teiles einer dynamoelektrischen Maschine, die mit einer Ankerwicklung versehen ist. In dieser Figur ist nur eine Phase der dreiphasigen Ankerwicklung dargestellt.

Fig. 2 ist eine kombinierte schematische Darstellung der Zonenbreitenanordnung in der Ankerwicklung und eines Vektordiagramms der Phasenspannungskomponenten, die in den verschiedenen Spulen der Ankerwicklung induziert werden,

Pig. 3 und 4 sind den Fig. 1 bzw. 2 ähnlich, zeigen aber eine modifizierte Wicklungsanordnung gemäß der-vorliegenden Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Wioklung 1Ö1 zeichnerisch dargestellt» um in den feststehenden Ankerkern 102 einer dynamoelektrischen Maschine eingesetzt zu werden. Die Wicklung ist eine Zweietagen-Schleifenwicklung, von der zwei Spulenselten innerhalb einer Hut, wie z.B. der Nut 103 im Kern, angeordnet sein können. Die Wicklung ist aus Windungen oder Spulen 104 aufgebaut, die jeweils eine obere Spulenseite 105 im Oberteil einer Nut und eine untere Spulenseite 106 aufweiten, die in der Unterseite einer Nut angeordnet ist, die im Falle einer verdrillten Wioklung (corded winding) gegenüber der oberen Spulenaeite um einen Bruchteil der gesamten Polttilung verschoben ist. Die Heilung der Spulen kann als Bruch ausgedrückt werdan, in dem der Zähler die Anzahl der Nuten zwisphen oberen und unteren 3pulenseiten einer Windung ist, während der Nenner die Anzahl der Nuten zwischen den Polen %at.

lig. 1 zeigt nur die Phase A der Wicklung 101. Für den Fach-

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mann ist jedoch klar, daß die anderen zwei Phasen B u. G identisch sind, außer daß sie um 120 elektrische Grade naoh jeder Seite der Phase A verschoben sind.'Die Lage der oberen Spulenseiten ist durch Bezeichnung der Nutenzahl angegeben, in der jede Spuienseite angeordnet ist. In Fig. 1 umfaßt die Phase A der Wicklung eine positive Phasenzone A¹ mit 8 Spulen, wobei die oberen Spulenseiten 107 in den NutZÄhlen 1-8 angeordnet sind, und eine negative Phase A" mit 7 Spulen, deren obere Spulenseiteri 108 in den Nuten 24-30 angeordnet 3ind. Die Nutzahlen von jeder der entsprechenden Spulenseiten aind in der oberen Zahlenreihe angegeben. Die unteren Spulenseiten aind in Nuten angeordnet, die gegenüber den oberen Spulenseiten um eine Anzahl von Nuten auf dem Umfang verschoben sind, die gleioh dem gewählten Nutensohritt (Spulenweite) ist, die gemäß der Generatorkonstruktioh variiert, aber normalerweise im Falle einer Wicklung mit Schrittverkürzung (corded pitch winding) klei-ⁱ ner als 180 elektrische Grad ist. Wie bereits erwähnt wurde, würde die Phaae B identisch sein, außer daß aie in der Nut Nr, 16 anstatt der Nut Nr. 1 beginnt, und die Phase Ö ^!" würde in der Nut Nr. 31 beginnen.

Ee ist gemäß der vorliegenden Erfindung wichtig, darauf hlnsuwelsen., daß die eine Zonenbreite A¹ eine größere An-■ahl Spulen aufweist, während die andere Zonenbreite A^fl eine kleinere Anzahl von Spulen besitzt.

Jede Phase in der vorliegenden Wicklung ist ferner in 3 parallelgesohaltete Zweige unterteilt, die willkürlich als Zweigzahlen 1,2 und 3 bezeichnet aind. Die Zweigzahlen aind auf den entsprechenden Spulenseiten in der zweiten Zahlenreihe angegeben.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Anordnung der Spulenseiten unter den zwei Zonenbreiten so gewählt, daß eine niedergradige Unsymmetrie bezüglioh der Spannungsphase und -größe zwisohen den Spannungen besteht, die in den ersten,

2 0 9 8 A 0 / 0 7 8 6 ^ommk

■weiten und dritten parallelfesohalteten Zweigen erzeugt werden· Die Zweigfolge Von rechte nach link· in Fig* I in der Zonenbreite A¹ mit der größeren Spulenzahl 1st 1, 3, 3» 3» 2, 2, 1, 3 und in der Zonentoreite A¹¹ let die Folg· 2, 2, T, 1, 3, 1, 2.

Fig. 2 ist ein Vektordiagramm für alle 3. Phasen der Wioklung und zeigt die Zweigfolgen in den positiven und negativen Zonenbreiten jeder Phase· Die Spulenfplgen in den Phasen B und C sind mit denjenigen in Phase A identisch· Ee sei bemerkt, daß sich graflere und kleinere Zonenbreiten um eine Spule herum abwechseln, d.h; A¹ - β Windungen, C" - 7 Windungen, B' - θ Windungen, A^M - 7 Windungen, 0· - 8 Windungen und B^!· - 7 Windungen.

FIg* 3 und Fig. 4 zeigen ein anderes Ausführungebeispiel der Erfindung unter Verwendung der gleichen Prinzipien der Erfindung, wie sie in den Fig. 1 und Z dargestellt let, um eine Unsymmetrie zwischen den Zweigen eu verkleinern. Fig« zeigt die Phase A einer Wioklung 109 für eine zweipolige dynamoelektrische Maschine mit 45 Nuten und 3 parallelgeeehaltet en Zweigen pro Phase. Wie in dem vorstehenden Ausführungen beispiel hat die Wicklung eine positive Zonenbreite A* mit oberen Spulenseiten, die durch die Bezugszahl 110 bezeichnet sind, und eine negative Zonenbreite A'¹ mit oberen Spulenselten, die durch die Bezugszahl 111 bezeichnet sind· Die Zonenbreite A' enthält 8 oder eine größere Anzahl Spulen, während die Zonenbreite A'' 7 oder eine kleinere Anzahl Spulen enthält» i>ie ^olge unter den Zweigen in der Wicklungsanordnung 109 ist von rechts nach links 1, 3, 3, 1» 2, 3, 2, 3 für die größere Zonenbreite A¹ und 2, 2, 3, 1, 1, 2, 1 in der kleineren Zonenbreite A¹'.

Fig. 4 ist ein Vektordiagramm und zeigt alle 3 Phasen der Wicklung 109» wobei die Spulenfolgen für die positiven und negativen Zonenbreiten der Phasen A, B und C angegeben sind.

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Die folgende Tabelle I gibt für einen Vergleich eine Zusammenstellung der Anordnungen von Spulenseiten-Zweigfolgen in der Phase A der Wicklung ΙΟΙ und 109·

Tabelle	Zweigzahl	I	2	101	f	2 3 4 8	Wicklung	2	109
	Nutzahlen in Zonenbreite A¹ für Oberstäbe		5 6	28	J_-	5 7	1
Nutzahlen in Zonenbreite A'' für Oberstäbe	Wicklung	24 25 30	4 1	1 4	24 25 29	2 3 6 8
Spulenzahl in A¹ Spulenzahl in A¹'	±	2 3		27 28 30	2 3	26
1 7			2 3		4 1
26 27 29
2 3

Es sind die IJutzahlen der oberen Spulenseiten für die positiven und negativen Zonenbreiten angegeben, während die zwei unteren Zeilen ron Tabelle I anzeigen, daß in beiden Wickelschemen die gleiche Methode angewendet worden ist, um eine Unsymmetrie zu verkleinern. Das bedeutet, daß die Zonenbreite A¹ mit der größeren Anzahl Spulen in beiden Fällen zwei Windungen von jedem der Zweige 1 und 2, aber 4 Windungen des Zweiges 3 enthält. Entsprechend enthält die andere Zonenbreite mit der kleineren Spulenzahl in beiden Wicklungsschemen 3 Windungen von jedem der Zweige 1 und 2, aber nur 1 Windung von dem Zweig 3. Aus der vorstehenden Tabelle wird deutlich, daß die Bezeicnnung der Zweige mit 1, 2 und 3 rein willkürlich ist und daß auch andere Bezeichnungen gegeben werden können. Die willkürlich gewählten numerischen Bezeichnungen könnten auch umgekehrt werden.

Um das Leistungsvermögen der zwei Wicklungen 101 und 109 zu beurteilen, sei als Grundlage bemerkt, daß die Einheitsspannung von irgendeinem einer Anzahl paralleler Zweige *ⁿ

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einer Phase das Verhältnis bildet zwischen der Leerlaufspannung, die in dem einen Zweig erzeugt ist, und der Nennspannung der Phase, und daß dieses Verhältnis ein Maß für die Größe der Spannungsunsymmetrie zwischen dem einen Zweig und dar Phase ist„ In ähnlicher Weise ist die Phasenwinkelverschiebung zwischen der in dem einen Zweig erzeugten Leerlaufspannung und der Nennspannung der Phase ein Maß für den Phasenwinkel der Spannungsunsymmetrie zwischen dem einen Zweig und ofer Phase. Ferner wird die "relative Erwärmung" in der Ankerwicklung gebildet durch die Wirkwiderstandsverluste (I R) darin infolge des Laststromes (und der Kreisströme auf Grund der Unsymmetrie in den Spannungen und Reaktanzen unter den vielen Zweigen) dividiert durch die Wirk-Widerstandsverluste (I R) infolge des gleich geteilten Laststromes alleine.

In dieser Weise sind die Fähigkeiten der Phase A der entsprechenden Wicklungen 101 und 109 in der folgenden Tabelle II zusammengestellt.

Tabelle II

Wicklung 101 Wicklung; 109

Zweig 12 3 12 3

Spannungsgröße 0.997 0.9976 1.0027 1.0018 0.9995 0.998 (pro Einheit)

Spannungs- + 0.1082+0.0244 -0.1321 +0.0800 +0.0605 -0.140 phasenwinkel
(Grad)

Bezüglich der Leistungsfähigkeit, die durch die oben definierte relative Erwärmung in der Wicklung gemessen wird, sei bemerkt, daß die relative Erwärmung von der Spulens'eite un-1 desgleichen von anderen Konstruktionsfakfcoren abhängig iab, 7/ift z.B. dom Nennfluß pro Pol und pro Nut, Für eine be~ fj ^r;j rrm'i'i konstruktion i'3b 'ii^c.· relative lirvrirmung in dem Zweig mit, f)!_ir _:fcöL, b^c;n .erwärmung: f^!ir i i. ~> .-'' jntsnnjchenden Wioklun-

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- ίο -

gen 101 und 109 in der folgenden Tabelle III zusammengestellt. Die Spulenweite in einer 45 Nuten aufweisenden Maschine mit 2 Polen ist 45/2 oder 22,5.

Tabelle III Spulenweite Relative Erwärmung

Wicklung Wicklung 101 " 109

15/22.5 1.058 1.067

16/22.5 1.103 1.111

17/22.5 1.05° 1.153

18/22.5 1.071 1.138

19/22.5 I0O27 1.089

20/22.5 I0O45 1.074

21/22.5 1.087 1.113

Aus der vorstehenden Erläuterung wird für die Wicklung 101 ersichtlich, daß die relative Erwärmung am kleinsten ist, wenn die Spulenweite 19/22.5 beträgt. Die obigen 'Yerte für die Spannungsunsymmetrie und relative Erwärmung eignen sich nicht für einen einfachen Vergleich mit anderen Wicklungsanordnungen, wie sie z.B. in den US-Patenten 2 778 963 und 3 152 273 angegeben sind, die eine größere Nutenzahl aufweisen und somit eine umfangreichere G-eiegenheit zur Einstellung der Spulenfolgen geben, um eine Unsymmetrie zu erzeugen. Mr einen Generator mit einer relativ kleinen Nutenzahl, die im vorliegenden Fall 45 beträgt, ist es weitaus^vschwieriger, Werte der oben angegebenen Art zu erzielen, denn je kleiner die Anzahl der Ankernuten ist, desto unwahrscheinlicher ist es, daß die Windungen einer Zonenbreite in mehr als 1 Zweig pro Pol so unterteilt werden können, daß Zweige ohne wesentliche Kreisströme parallel geschaltet werden können.

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Claims

.Patentansprüche

Dynamoelektrische Maschine, dadurch gekennzeichnet, daß eine dreiphasige Wicklung(l01, 109) und ein Kern mit 45 Nuten vorgesehen ist, jede Phase der Wicklung 3 parallelgeschaltete Zweige aufweist, die in

2 in Reihe geschalteten Abschnitten angeordnet sind, die in entsprechender Weise in einer größeren Zonenbreite von 8 Windungen und einer entgegengesetzt gepolten, kleineren Zonenbreite von 7 Windungen liegen, der eine der Zweige 4 Windungen in der größeren Zonenbreite und eine Windung in der kleineren Zonenbreite aufweist, die alle in Reihe geschaltet sind, und die anderen zwei der Zweige jeweils 2 Windungen in der größeren Zonenbreite und

3 Windungen in der kleineren Zonenbreite aufweisen, die ebenfalls alle in Reihe geschaltet sind, wobei die Windungsfolgen der Zweige derart angeordnet sind, daß die Unsymmetrie zwischen den Zweigen auf ein Minimum herabgesetzt ist.

2· Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1 , d a durch gekennzeichnet, daß die Zweige in jeder Phase mit 1, 2 und 3 bezeichnet sind und die Zweigfolge in der größeren Zonenbreite 1, 3, 3, 3, 2, 2,

1, 3 und die Zweigfolge in der kleineren Zonenbreite 2,

2, 1, 1, 3, 1, 2 ist.

3. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1 , d a durch gekennzeichnet, daß die Zweige mit 1, 2 und 3 bezeichnet sind und die ^weigfolge in der größeren Zonenbreite 1, 3, 3, 1, 2, .3, 2, 3 und die Zweigfolge in der kleineren Zonenbreite 2, 2, 3» 1»"1_f 2, 1 ist.

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