DEP0036908DA

DEP0036908DA - Electric machine or transformer

Info

Publication number: DEP0036908DA
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl.-Ing. Geyer
Original assignee: Geyer, Franz, Dipl.-Ing., Linz
Publication date: 1950-12-07

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.In their basic structure, electrical machines and transformers always consist of one or more completely or at least partially built-in magnetic circuits with at least one winding through which current flows. Very considerable savings in material can be achieved, which has a favorable effect on the production weight as well as on the production costs and in the utility value, if the winding in the zone where the winding cross-section is decisive for the iron path length is used with a reduced conductor cross-section in carries out the closest possible packing.

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.The design of an electrical machine with a winding, the conductor of which has unequal cross-sections along the circumference of a winding, is proposed in Ö.P.9903 (Wait), which essentially aims to increase the specific current load on the rotor circumference of a DC machine, but the decisive problem which leaves loss reimbursement completely open.

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.In this respect, the Swiss patent 223.637 (Hermes) as a dimensioning rule specifies a reduction in cross-section to 10 to 4% and deals with the question of loss removal with very general information on additional aids such as cooling fins or cooling channels and the like.

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.A practically exploitable upgrading of the basic idea must above all do justice to the problem of dissipation of losses, which can only be solved by tolerating an additional link in the series of thermal resistances, the necessary temperature gradient for a thermal line in the individual conductor and the corresponding dimensioning. A direct dissipation of the heat loss released in the zone with a weakened conductor cross-section, i.e. almost across the individual conductor, can only be expected to a very limited extent, because otherwise circulation spaces for the coolant would have to be provided in this zone too, which would have the effect of reducing the conductor cross-sections Reducing the fill factor would weaken it very much.

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.The tolerance of the aforementioned additional link in the series of thermal resistances, i.e. an apparent deterioration in the design of the winding, gives the freedom to pack it as tightly as possible in the zone with the reduced conductor cross-section, with the fill factor only being achieved by taking into account the security of the insulation is in no way determined to direct heat dissipation or coolant circulation and thus has a practical effect. In this way, based on the cross-section of the non-weakened conductor, achieve an apparent fill factor in the compacted winding zone, the value of which is very high compared to the previously common ones and can reach around 3 to 4.

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 FIGS. 1 to 4 provide information about the possibility of the longitudinal heat conduction or about the temperature gradient required for this. 3 shows a conductor section in which the cross-section is reduced in the ratio h / H = 1 / u on the section 2 lcu. It is now further thought that direct heat dissipation from the weakened section of the conductor to the external environment is not possible, but rather that there is complete thermal insulation and the heat loss occurring in this section of the conductor can only flow away along the conductor itself, after both adjoining, non-weakened conductor sections . This heat flow naturally requires a corresponding temperature gradient. The temperature gradient for copper is calculated according to the formula where i (sub) s is the specific current density in A / mm (exp) 2 in this conductor section, l (sub) cu is the conductor length in cm. In the case of a conductor that already has the current density i (sub) s in its full cross-section and whose cross-section is reduced in one piece in the ratio h / H - 1 / g (Fig. 3), the temperature gradient is calculated

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.Modern electrical machines work on average with a current density of 4 A / mm (exp) 2. A reduction in the cross section of sections of the conductor to 4%, in the sense of the aforementioned Swiss patent, would therefore correspond to a current density of 100 A / mm (exp) 2. At this current density, a temperature gradient of 30 ° C already results on the first cm of the longitudinal heat conduction from the diagram in FIG. 1, and the completely impossible value of 750 ° C. for 5 cm of the longitudinal heat conduction.

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.The specified dimensioning rule is therefore perhaps useful for miniature devices, relays and the like, but fails completely in the small and medium power range of electrical machines and transformers. A practically usable application of the principle to machines or transformers of even a few kW power appears pointless according to the above dimensioning rule, as the stated calculation values for the necessary temperature gradient show.

Trotzdem lassen sich wirtschaftlich recht beachtliche Erfolge erzielen, sofern Dimensionierung und Ausführung so erfolgt, dass:Nevertheless, economically quite considerable successes can be achieved, provided that the dimensions and execution are carried out in such a way that:

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.a) a temperature gradient of around 30% of the total gradient between the maximum permissible winding temperature and the coolant temperature is provided for the longitudinal heat pipe, b) the winding outside the iron-enclosed zone is carried out over a large area and loosely, with each individual turn preferably forming at least groups of very few turns independent, flat cooling elements.

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.More favorable conditions, ie smaller temperature gradients or larger distances that can be bridged by thermal output, result if the cross-sectional reduction is not kept constant over a finite distance as shown in FIG. 3, but is only provided in the form of an incision according to FIG. The temperature gradient is then calculated as follows instead of the correction factor ü (exp) 2, the value is used which, as can be seen from the diagram in FIG. 2, remains considerably smaller, especially with higher values of ü. The saving in the necessary temperature gradient is, as shown in the diagram in FIG. 2, surprisingly high, especially at higher values of ü.

Eine derartige Formgebung für den Leiter ist sinngemäss ausgeführt, beispielsweise bei Transformatoren mit annähernd rundem oder ovalem Schenkelquerschnitt und Rundspulen, besonders vorteilhaft (Fig. 5).Such a shaping for the conductor is carried out accordingly, for example in the case of transformers with an approximately round or oval leg cross-section and round coils, particularly advantageous (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.By reducing the conductor cross-section together with increasing the fill factor, not only is the length of the iron path shortened considerably, but under these circumstances the saturation can also be selected to be higher, i.e., savings either in iron cross-section or in the number of turns and thus again significantly improve material utilization.

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.The heat loss released in the densely packed zone with a weakened conductor cross-section is thus dissipated from this zone essentially by longitudinal heat conduction to the zone of the winding with an un-weakened conductor cross-section. The temperature gradient required for this heat flow can be kept within acceptable limits even with larger machines and transformers (Fig. 1 to Fig. 4) and does not need to exceed 30% of the total gradient available between the maximum winding temperature and the coolant temperature.

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 anderenThe execution of the winding in the zone with the un-weakened conductor cross-section has to take into account that this part of the winding not only has its own losses, but also the losses from the other

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.Zone must be able to dissipate the coolant. The winding is therefore very loosened in this zone and designed over a large area, for example in such a way that each individual turn, but at least each group of turns of very few (2 to 4 turns) acts as an independent, extensive cooling element. Fig. 5 shows as an exemplary embodiment a transformer with an edgewise ring winding.

Die Abb. 6 zeigt zeigt einen Transformator mit einer Wicklung aus bandförmigem Leitermaterial, das flach auf Zylinderflächen gewickelt ist.Fig. 6 shows a transformer with a winding made of strip-shaped conductor material, which is wound flat on cylindrical surfaces.

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.For the extent of the loosening, a characteristic value equivalent to the fill factor can be defined as the ratio of the sum of the conductor cross-sections to the sum of the winding area, which is to be selected with natural air cooling with about 0.2, preferably smaller. For the definition of the aforementioned large area, again with natural air cooling, a load of around 500 W per m (exp) 2, preferably less, can apply as a guideline.

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.Even if noticeably increased losses occur at the isthmus points of the current conductors in a transformer designed in this way, this is compensated for by the reduced overall dimensions and overall weights, so that in the end the same degree of efficiency can be achieved as for a normally built apparatus of the same power.

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.The savings in material or finished weight that can be achieved in the specified way are extraordinary; For example, 60 to 70% of the previously usual weight of active material can be saved on a scatter transformer, which machine type has particularly favorable prerequisites for the application of the building principles described above.

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.The practical evaluation of the above considerations is tied to an economical production of the necessary isthmus winding per se and to a winding arrangement that does justice to the conditions. A well usable isthmus winding results from the winding known in electrical engineering under the designation bare pole winding through a simple additional work process.

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.The bare pole winding consists of edgewise bent conductor material with a rectangular and approximately rectangular cross-section and is preferably used for round coils. Such a winding becomes an isthmus winding by removing a segment, whereby it is irrelevant whether the removal of the segments takes place in turns by cutting or on the complete bobbin by planing or milling. Fig. 7 shows such a coil, Fig. 5 shows its installation on the transformer. In Fig. 5 you can clearly see the densely packed zone with a reduced conductor cross-section or the loosening of the winding in the zone with a non-weakened cross-section can be seen by correspondingly bending the individual winding elements.

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.When running a transformer with a ring-shaped iron core, this latter step, the bending of the winding elements, can be saved, since the necessary loosening in the cooling zone of the winding results from the spatial arrangement - assuming the correct proportions are chosen.

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.The simple edgewise winding according to Fig. 7 can be modified as shown in Fig. 8 if higher numbers of turns are required. This winding then has two or more single coils pushed into one another. With the outermost coil, the isthmus is formed as before by removing a segment, while with the inner coils a crescent-shaped area is removed.

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.The design variants described so far relate to transformers with disc coil arrangements, for which the edgewise winding appears to be particularly recommended with regard to the additional losses. In principle, however, arrangements can also be carried out without the use of an upright winding; Fig. 6 shows a schematic example of this. Ribbons are used as winding material, in which the isthmus is created by appropriate cutting, Fig. 9. The winding is loosened by arranging the individual turns or the winding groups on axially parallel cylinders.

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.The previously described methods for forming an isthmus have in common that the rectangular or approximately rectangular cross-section of the non-weakened conductor is reduced in width in zones, while the strip thickness remains unchanged. Conversely, however, you can leave the conductor width over the entire circumference of the winding, but reduce its thickness in zones by squeezing, pressing or rolling. It is also possible to combine both methods, i.e. a reduction in both width and thickness.

Claims

1.Electrical machine or transformer, consisting of at least one, at least partially iron-closed magnetic circuit and at least one winding through which current flows, the conductors of which have at least two zones along the circumference of a winding, the conductor cross-section being reduced in the zone whose total conductor cross-section is decisive for the iron path length , characterized in that the winding in the aforementioned zone is tightly packed with the highest possible fill factor, which is only conditioned for insulation reasons, with a temperature gradient corresponding to a fraction of the total gradient between the maximum permissible winding temperature and coolant temperature, a maximum of about 30% thereof, for the purpose of Discharge of the losses is provided, namely to the other winding zone, which is greatly loosened with the unseaten conductor cross-section and produced over a large area, with preferably each individual turn, at least but each group of at most two to four turns acts as an independent cooling element.

2. Winding according to claim 1, characterized in that the isthmus of the winding or turn is formed by removing a segment of a preferably round coil made of edgewise material.

3. Winding according to claim 1, characterized in that several edgewise coils are nested, the isthmus of claim 2 being produced for the outer coil, while it is generated for the inner coils by removing corresponding crescent-shaped surface parts.

4. Winding according to claim 1 to 3, characterized in that the loosening takes place in the zone with a non-weakened conductor cross-section by correspondingly bending the individual winding elements.

5. Winding according to claim 1 to 3, characterized in that the loosening in the non-weakened zone is achieved by using a toroidal core and an approximately radial arrangement of the individual winding elements.

6. Winding according to claim 1, characterized in that tape-shaped material is wound flat into coils, the isthmus formation being carried out by zone-wise reduction of the bandwidth by means of punching or trimming, while the winding is loosened by its arrangement on axially parallel cylinders.

7. Winding according to claim 1, characterized in that the strip-shaped material is wound flat to form coils, the isthmus being formed by zone-wise reduction of the strip thickness by pressing, squeezing or rolling.