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Title:
WINDING BODY FOR AN ELECTRIC MACHINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/197998
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a winding body for an electric machine, comprising a coil arranged in a toroidal coordinates system which is defined by a toroidal direction running about a winding axis, by a poloidal direction running about the toroidal direction, and by a radial direction running perpendicular to the toroidal direction and perpendicular to the poloidal direction, which coil is wound in the toroidal direction with a number of windings formed by an electrical conductor that can be introduced into a winding carrier of the electric machine, and which electrical conductor has a ground connection and a potential connection opposite the ground connection at the ends, characterised in that, when viewed in all toloidal planes, the winding connected to the potential connection (hereinafter referred to as potential winding) is arranged in the coil with a safety clearance relative to a coil edge within the coil and bounding the coil in the toloidal planes, the winding connected to the ground connection (hereinafter referred to as ground winding) is arranged on the coil edge, and the remaining windings are arranged such that they are wound from the potential winding to the ground winding.

Inventors:
MÜHLHAUS, Wolfgang (Westendstraße 210, München, 80686, DE)
Application Number:
IB2019/052930
Publication Date:
October 17, 2019
Filing Date:
April 09, 2019
Export Citation:
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Assignee:
MÜHLHAUS, Wolfgang (Westendstraße 210, München, 80686, DE)
International Classes:
H02K3/40; H01F27/28
Domestic Patent References:
WO2002061772A12002-08-08
WO2012162435A22012-11-29
Foreign References:
DE102004006712A12005-09-08
Attorney, Agent or Firm:
PATENTANWÄLTE VON BÜLOW & TAMADA (Rotbuchenstraße 6, München, 81547, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Wicklungskörper für eine elektrische Maschine, umfassend eine in einem toroiden Koordinatensystem, das durch eine um eine

Wicklungsachse verlaufende Toroidalrichtung, durch eine um die toriodale Richtung verlaufende Poloidalrichtung und durch eine

rechtwinklig zur Toroidalrichtung und rechtwinklig zur Poloidalrichtung verlaufenden Radialrichtung aufgespannt ist, angeordneten Spule, die in der Toroidalrichtung mit einer Anzahl von Windungen aus einem in einen Wicklungsträger der elektrischen Maschine einsetzbaren elektrischen Leiter gewickelt ist, der endseitig einen Masseanschluss und dem

Masseanschluss gegenüberliegend einen Potentialanschluss besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass in allen Toloidalebenen gesehen

die sich an den Potentialanschluss anschließende Windung, nachstehend Potentialwindung genannt, in der Spule mit einem

Sicherheitsabstand zu einem die Spule in den Toloidalebenen

umgrenzenden Spulenrand innerhalb der Spule

die sich an den Masseanschluss anschließende Windung,

nachstehend Massewindung genannt, an dem Spulenrand, und

die restlichen Windungen von der Potentialwindung zur

Massewindung hin gewickelt angeordnet sind.

2. Wicklungskörper nach Anspruch 1, wobei im Bereich des

Sicherheitsabstandes zwischen der Potentialwindung und der

Massewindung wenigstens ein elektrisches Schirmelement angeordnet und auf ein elektrisches Potential einer Windung zwischen der

Potentialwindung und der Massewindung gelegt ist.

3. Wicklungskörper nach Anspruch 2, wobei das Schirmelement den Potentialanschluss wenigstens teilweise poloidal umhüllend ausgebildet ist.

4. Wicklungskörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei im Bereich des Sicherheitsabstandes zwischen der Potentialwindung und der Massewindung wenigstens eine von den Windungen isolierte elektrische Schirmvorrichtung angeordnet ist.

5. Wicklungskörper nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 4, wobei die Windungen in einem vorbestimmten toroidalen

Übergangsbereich poloidal und/oder radial verbunden sind, wobei das Schirmelement und/oder das Schirmblech im toroidalen

Übergangsbereich unterbrochen ist.

6. Wicklungskörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die elektrische Leitung aus einer Reihenschaltung einer Anzahl von

Induktivitäten mit in der Toroidalrichtung gewickelten Drähten gebildet ist, die gleich der Anzahl der Windungen ist.

7. Wicklungskörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Querschnitt des elektrischen Leiters vom Potentialanschluss zum

Masseanschluss hin veränderlich, insbesondere in poloidaler Richtung verbreiternd ausgebildet ist.

8. Wicklungskörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend einen poloidales Distanzelement, das an einer vorbestimmten toroidalen Lage der Spule die elektrischen Leiter wenigstens in poloidaler Richtung aufweitet und einen radialen Kanal zur Durchführung einer

Versorgungsleitung zum Potentialanschluss bildet.

9. Wicklungskörper nach Anspruch 7, wobei der radiale Kanal elektrisch abgeschirmt ist.

10. Elektrische Maschine, insbesondere rotierende elektrische Maschine, umfassend einen Wicklungskörper nach einem der vorstehenden

Ansprüche.

Description:
Wicklungskörper für eine elektrische Maschine

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wicklungskörper gemäß dem Oberbegriff des geltenden Anspruchs 1.

Die Verwendung von Wicklungskörpern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie beispielsweise aus der DE 10 2004 006 712 Al bekannt sind, ist in elektrischen Maschinen, insbesondere in rotierenden elektrischen Maschinen nur mit begrenzten Nennspannungen möglich.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die in elektrischen Maschinen verwendbare Nennspannung für Wicklungskörper gemäß dem Oberbegriff des

Anspruchs 1 zu erhöhen.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung, umfasst ein Wicklungskörper für eine elektrische Maschine eine in einem toroiden Koordinatensystem, das durch eine um eine Wicklungsachse verlaufende Toroidalrichtung, durch eine um die toriodale Richtung verlaufende Poloidalrichtung und durch eine rechtwinklig zur Toroidalrichtung und rechtwinklig zur

Poloidalrichtung verlaufenden Radialrichtung aufgespannt ist,

angeordneten Spule, die in der Toroidalrichtung mit einer Anzahl von Windungen aus einem in einen Wicklungsträger der elektrischen

Maschine einsetzbaren elektrischen Leiter gewickelt ist, der endseitig einen Masseanschluss und dem Masseanschluss gegenüberliegend einen Potentialanschluss besitzt. Erfindungsgemäß sind in allen Toloidalebenen gesehen die sich an den Potentialanschluss anschließende Windung, nachstehend Potentialwindung genannt, in der Spule mit einem

Sicherheitsabstand zu einem die Spule in den Toloidalebenen

umgrenzenden Spulenrand innerhalb der Spule, die sich an den

Masseanschluss anschließende Windung, nachstehend Massewindung genannt, an dem Spulenrand und die restlichen Windungen von der Potentialwindung zur Massewindung hin gewickelt angeordnet.

Dem angegebenen Wicklungskörper liegt die Überlegung zugrunde, dass wenn der elektrische Leiter der Spule des eingangs genannten

Wicklungskörpers ungeschirmt durch elektrisch leitendes Material geführt wird, bereits im oberen Mittelspannungsbereich so hohe elektrische Feldstärken entstehen, dass es in Luft zu Teilentladungen und Glimmen kommt. Ist der eingangs genannte Wicklungskörper beispielsweise in eine Stahlnut eines Läufers und/oder Ständers einer rotierenden elektrischen Maschine eingesetzt, ist die Stahlnut bei sämtlichen

Nutkanten elektrischen Feldstärken ausgesetzt, welche die an die rotierende elektrische Maschine anlegbare Nennspannung begrenzen. Um die anlegbare Nennspannung zu erhöhen müssten für jede einzelne Wicklung an einer Nutkante Sicherungsmaßnahmen, wie beispielsweise eine kapazitive Feldsteuerungen installiert werden, was bereits aus Platzgründen nicht möglich ist. Aus diesem Grund werden herkömmlich auch die größten rotierenden elektrischen Maschinen, wie sie

beispielsweise als Generatoren in Kraftwerken genutzt werden, mit einer Nennspannung im Mittelspannungsbereich betrieben.

Zwar könnte die Nennspannung geringfügig erhöhen werden, indem selbstheilende oder gering belastbare Beschichtungen an den

gefährdeten Bereichen der Stahlnuten angebracht werden. Auch könnten als Windungen geschirmte Kabel verwendet werden. Denkbar wäre alternativ, die Windungen gesamt oder nur außerhalb der Stahlnuten mit einer auf Massepotential befindlichen elektrisch leitenden Hülle

abzuschirmen und damit die Felder an den Nutenrändern abzufangen. Allen Lösungen bedingen jedoch einen nicht unerheblichen Platzbedarf in den Stahlnuten, einen wirtschaftlichen Zusatzaufwand und eine

Verschlechterung des Wirkungsgrades. Insbesondere die elektrisch leitende Hülle müsste gegen die Nennspannung isoliert werden, wobei ungeklärt wäre, wie der Hochspannungsanschluss durch diese elektrisch leitende Hülle geführt werden soll.

Demgegenüber wird mit dem angegebenen Wicklungskörper

vorgeschlagen, die unmittelbar an den Potentialanschluss

angeschlossene Windung in einem Sicherheitsabstand zu den Nutwänden und so zur Nutkante zu plazieren und die restlichen Windungen vom Potentialanschluss zum Masseanschluss hin zu wickeln. Die Wicklung kann dabei auf direktem Wege oder auf eine andere annähernde Weise, wie spiralförmig erfolgen. Auf diese Weise wird die an den

Wicklungskörper anlegbare Nennspannung ohne weitere technische Mittel spürbar erhöht, ohne dass die Durchschlagspannung zwischen den an die Nuten angrenzenden Windungen und den Nuten selbst erreicht werden würde.

Solange zur Erhöhung der an den Potentialanschluss anlegbaren

Nennspannung ausschließlich der Potentialanschluss und damit seine an ihn angrenzende Potentialwindung vom in den Toloidalebenen gesehenen Rand des Wicklungskörpers in sein Inneres geschoben wird, wird zur Umsetzung des Erfindungsgedankens ausschließlich das eigene

elektrische Potenzial jeder Windung in dem Wicklungskörper genutzt. Die Umsetzung dieses Gedankens wird nachstehend als Typ A bezeichnet.

In einer Weiterbildung des angegebenen Wicklungskörpers ist im Bereich des Sicherheitsabstandes zwischen der Potentialwindung und der

Massewindung wenigstens ein elektrisches Schirmelement angeordnet und auf ein elektrisches Potential einer Windung zwischen der

Potentialwindung und der Massewindung gelegt. Gegenüber dem zuvor genannten Typ A beeinflusst das Schirmelement das vom

Potentalanschluss gegenüber Masse erregte elektrische Feld derart, dass sich zwischen den an den Nuten angrenzenden Windungen und den Nuten selbst stauende Äquipotentialflächen in den Wicklungskörper gezogen und damit entstaucht werden. Die Umsetzung der Erfindung mit einem direkt an eine der Windungen angeschlossenen Schirmelement wird nachstehend als Typ B bezeichnet. Der Typ B erlaubt es, entweder den im Rahmen des Typ A erläuterten Sicherheitsabstandes des

Potentialanschlusses zur Nutwand verringern, oder die an den

Potentialanschluss anlegbare Nennspannung weiter erhöhen.

Die Steuerung der Äquipotentialflächen mit dem Schirmelement ist besonders effektiv, wenn das Schirmelement den Potentialanschluss wenigstens teilweise poloidal umhüllt.

In einer weiteren Weiterbildung des angegebenen Wicklungskörpers können im Bereich des Sicherheitsabstandes zwischen der

Potentialwindung und der Massewindung wenigstens eine von den

Windungen isolierte elektrische Schirmvorrichtung angeordnet sein. Die Schirmvorrichtung kann beliebig beispielsweise als Blech, Gittergeflecht oder als auf eine Isolation aufgetragene leitende Beschichtung

ausgebildet sein. Die gegenüber den Windungen isolierte

Schirmvorrichtung wirkt anders als das Schirmelement nach dem oben genannten Typ B ohmsch-kapazitiv und wird nachstehend als Typ C einer möglichen Ausführung der Erfindung bezeichnet. Gegenüber dem Typ B eignet sich der Typ C besonders in Bereichen des Wicklungskörpers in dem zwischen zwei radial beabstandeten Windungen sehr hohe

elektrische Potentialsprünge und damit entsprechend hohe

Spannungsstufungen vorliegen.

Die Windungen des angegebenen Wicklungskörpers können dabei in einem vorbestimmten toroidalen Übergangsbereich poloidal verbunden sein, wobei das Schirmelement und/oder das Schirmblech in diesem toroidalen Übergangsbereich unterbrochen ist. Auf diese Weise werden Kurzschlüsse zwischen den einzelnen Windungen des angegebenen Wicklungskörpers wirksam unterbunden.

In einer noch weiteren Weiterbildung des angegebenen Wicklungskörpers ist die elektrische Leitung aus einer Reihenschaltung einer Anzahl von Induktivitäten mit in der Toroidalrichtung gewickelten Drähten gebildet, die gleich der Anzahl der Windungen ist. Die so gewickelten Drähte in den einzelnen Windungen bauen ein induktives Feld auf und wirken auf diese Weise ohmsch-induktiv. Diese Ausführung der Erfindung wird nachstehend als Typ D bezeichnet und kann in der gleichen Weise genutzt werden, wie der oben beschriebene Typ C.

In einer besonderen Weiterbildung des angegebenen Wicklungskörpers ist ein Querschnitt des elektrischen Leiters vom Potentialanschluss zum Masseanschluss hin veränderlich, insbesondere in poloidaler Richtung verbreiternd ausgebildet.

In einer noch weiteren Weiterbildung umfasst der angegebene

Wicklungskörper ein poloidales Distanzelement, das an einer

vorbestimmten toroidalen Lage der Spule die elektrischen Leiter wenigstens in poloidaler Richtung aufweitet und einen radialen Kanal zur Durchführung einer Versorgungsleitung zum Potentialanschluss bildet. Dabei kann der radiale Kanal elektrisch abgeschirmt ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst eine elektrische Maschine, insbesondere rotierende elektrische Maschine, einen

Wicklungskörper nach einem der vorstehenden Ansprüche.

Die elektrische Maschine kann einen Stator und einen gegenüber dem Rotor verdrehbaren Stator umfassen, wobei der Wicklungskörper in einer Nut angeordnet ist, die entweder im Stator oder im Rotor ausgebildet ist.

Während die Merkmale des Typs A notwendig zur Umsetzung der

Erfindung sind, sind die Merkmale der Typen B, C und D fakultativ und können in beliebiger Weise und Kombination mit Typ A kombiniert werden.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise wie diese erreicht werden, werden verständlicher im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Wicklungskörpers in einem

Toloidalschitt, und

Fig. 2 eine schematische Ansicht des Wicklungskörpers der Fig. 1 in einem weiteren, toloidal verschobenen Toloidalschitt,

Fig. 3 eine schematische Ansicht des Wicklungskörpers der Fig. 1 und 2 in einem weiteren, toloidal verschobenen Toloidalschitt,

Fig. 4 eine schematische Ansicht von Feldsteuerelementen in dem

Wicklungskörper der Fig. 1 bis 3 in einem Radialschnitt,

Fig. 5 eine schematische Ansicht des Wicklungskörpers der Fig. Ibis 3 in einem weiteren, toloidal verschobenen Toloidalschitt,

Fig. 6 eine schematische Ansicht des Wicklungskörpers der Fig. 1 bis 3 aus einer Sicht in Richtung einer Wicklungsachse des Wicklungskörpers,

Fig. 7 eine eine schematische Ansicht einer Weiterbildung des

Wicklungskörpers der Fig. Ibis 3 in einem Toloidalschitt,

Fig. 8 eine schematische Ansicht einer alternativen Ausführung des Wicklungskörpers in einem Toloidalschitt,

Fig. 9 eine schematische Ansicht des Wicklungskörpers nach Fig. 8 in einem toloidal verschobenen Toloidalschitt, und

Fig. 10 eine schematische Teilansicht des Wicklungskörpers nach Fig. 8 und 9 aus einer radialen Perspektive.

In den Figuren werden gleiche technische Elemente mit gleichen

Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben. Die Figuren sind rein schematisch und geben vor allem nicht die tatsächlichen

geometrischen Verhältnisse wieder. Alle in der Beschreibung gemachten Aussagen schränken die Patentansprüche nicht ein und zeigen nur die technische Machbarkeit. Beim Durchführen von ungeschirmten elektrischen Leitungen durch elektrisch leitendes Material entstehen bereits im oberen

Mittelspannungsbereich so hohe elektrische Feldstärken, dass es in Luft zu Teilentladungen und Glimmen kommt. Die Problemlösung wird bei einzelnen Leitungen durch Feldsteuerungen mit kapazitiver

Spannungsteilung erreicht.

Durch das Einlegen der Wicklungskörper in Stahlnuten des Läufers und Ständers rotierender elektrischer Maschinen sind die Wicklungskörper bei sämtlichen Ein- und Austritten an den Stahlnuten der elektrischen

Maschinen hohen elektrischen Feldstärken ausgesetzt, was die

Nennspannung dieser elektrischen Maschinen begrenzt. Um die

Nennspannung zu erhöhen, könnten für jede einzelne Windung an jedem Nutauslass kapazitive Schirmelemente angebracht werden, was

allerdings bereits aus Platzgründen nicht möglich ist. Folglich werden auch die größten Generatoren mit einer Nennspannung im

Mittelspannungsbereich betrieben.

Durch eine Nutzung von Potentialen über die Windung und optional über zusätzlich eingebrachte Schirmelemente und/oder

Schirmungsvorrichtungen kann kann elektrische Feld gezielt eingedämmt werden, so dass an gefährdeten Stellen keine zu großen elektrischen Feldstärken mehr auftreten, so dass ein Betrieb elektrischer Maschinen grundsätzlich mit jeder Nennspannung möglich ist. Schirmelemente und/ oder Schirmungsvorrichtungen sind in und/oder am Wicklungskörper angebrachte elektrisch leitende Elemente, die dort Einfluss auf die

Verteilung des elektrischen Feldes nehmen. Dies können die elektrischen Leiter des Wicklungskörpers selbst oder getrennte schirmende

elektrische Bauelemente, wie Bleche, Gittergeflechte, elektrisch leitende Beschichtungen und dergleichen sein.

Das Prinzip der Erfindung zeigt sich durch das Nutzen der

unterschiedlichen elektrischen Potentialniveaus in einem Wicklungskörper einer elektrischen Maschine, um damit die von einer Windung erzeugten elektrischen Felder gezielt zu steuern. Gemäß der Erfindung können die elektrischen Felder mit vier

Möglichkeiten in einem Wicklungskörper einer elektrischen Maschine gezielt gesteuert werden, die auch miteinander kombiniert werden können:

Typ A: die Nutzung der eigenen elektrischen Potentiale jeder einzelnen Windung in dem Wicklungskörper;

Typ B: direkte elektrisch leitende Verbindung zwischen einem

Schirmelement und einer speziellen Windung im Wicklungskörper;

Typ C: eine ohmsch - kapazitive Kopplung zwischen einer

Schirmvorrichtung und einer Windung oder einer anderen

Schirmvorrichtung in dem Wicklungskörper zur Potentialgenerierung;

Typ D: eine induktive Kopplung durch Unterteilung einer Windung in mehrere in Reihe geschaltete Induktivitäten zur Potentialgenerierung.

Im Typ A werden die einzelnen Windungen so in die Nuten eingebracht, dass die anstehenden Spannungen der einzelnen Windungen gegen Masse von einer Außenseite des Wicklungskörpers nach innen hin ansteigen. Dadurch liegt die Windung mit der höchsten Spannung im Zentrum des Wicklungskörpers. Die umgebenden Windungen fangen so bereits einen Teil des elektrischen Feldes ab.

Ist das nicht möglich oder ausreichend, können mittels

Schirmelementen, Schirmvorrichtungen oder dergleichen elektrische Potentiale definiert werden, was Gegenstand der Typen B, C und D ist.

Dabei besteht in den Typen A, B und C jede Windung der den

Wicklungskörper bildenden elektrischen Leitung aus einer Wicklung.

Typ D bündelt demgegenüber mehrere Wicklungen in der verwendeten Geometrie einer Windung.

Die Geometrie des Wicklungskörperquerschnitts und Schirmelementen oder Schirmvorrichtungen kann an den Nutenquerschnitt (kreisförmig, rechteckig, trapezförmig usw. oder einer Kombination daraus) angepasst werden und soweit möglich folgen. Wenn sich mehrere Wicklungskörper in der Nut befinden, wird die Nutengeometrie unter den

Wicklungskörpern aufgeteilt. Im Außenbereich der Wicklungskörper können auch Windungen mit unkritischer Spannung gegen Masse oder die Wicklungen benachbarter Wicklungskörper zum Ausfüllen von

Freiräumen aus der Geometrie genommen werden.

Der Wicklungskörper besteht hauptsächlich aus 5 Bereichen:

„Windung",„Anpassung auf Anschlussbereich",„Anschlussbereich", „Anpassung auf Windung",„Windungsversatz". Dazu können noch weitere Bereiche bedingt durch enge Bögen an den Windungsköpfen nach Nutaustritt, Einbringung und Führung von Zubehör aller Art usw. kommen.

Die Bereiche„Anpassung auf Anschlussbereich" und„Anpassung auf Windung" sowie enge Bögen sind Verbindungselemente zu den

relevanten Teilen und werden nicht weiter betrachtet.

Die Leiterzahl und damit die Spannung zwischen den einzelnen

Windungslagen nehmen aufgrund der Ausdehnung des Wicklungskörpers von innen nach außen zu. Zur Einhaltung einer maximalen Feldstärke zwischen den Windungslagen bzw. der Umgebung müssen daher bei Überschreitung der maximalen Differenzspannung zwischen den benachbarten Windungslagen bzw. der Umgebung des Wicklungskörpers geeignete Maßnahmen getroffen werden.

Typ A benötigt eine Leiteranordnung, bei der durch die Anzahl der einzelnen Windungen pro Windungslage die maximale projektierte Feldstärke gegenüber der benachbarten Lage nicht überschritten wird. Um ein Durchgreifen von Feldlinien zu Potentialen weiter entfernterer Windungslagen oder auf Massepotential durch große Abstände zwischen den benachbarten Wicklungen der einzelnen Windungslagen zu

verhindern, muss gerade im Bereich der äußeren Windungslagen die feldwirksame Form der Leiterquerschnitte angepasst werden. Die

Leiterquerschnitte der äußersten Lage sind verhältnismäßig dünn und lang auszuführen und folgen mit der Länge der Geometrie der

Windungslage. Von den äußeren Windungslagen zum

Wicklungkörperzentrum werden sie immer dicker und kürzer, bis die Abstände der Wicklungen bei symmetrischem Querschnitt das relevante Durchgreifen der elektrischen Felder verhindern. Dabei bleibt der wirksame Leiterquerschnitt konstant.

Alternativ zur Formänderung des Leiterquerschnitts können auch

Schirmelemente oder Schirmvorrichtungen an den betroffenen

Wicklungen angebracht werden, die die Windung des elektrischen Leiter feldmäßig verbreitern und den feldwirksamen Abstand zwischen benachbarten Windungen einer Wicklungslage verringern. Durch

Aufbrechen der Leitergeometrie und eventuell mit zusätzlichen

Schirmelementen oder Schirmvorrichtungen ist eine sichere

Herausführung des Hochspannungsanschlusses möglich.

Bei Typ B werden elektrische Schirmelemente oder elektrische

Schirmvorrichtungen eingebracht und mit der vom Spannungswert passenden Windung elektrisch leitend verbunden. Der genaue Aufbau dieser elektrischen Schirmelemente oder elektrischen

Schirmvorrichtungen spielt grundsätzlich keine Rolle. Sie sollten einen relevanten Durchgriff des elektrischen Feldes verhindern, entstehende kapazitive Ströme ohne relevanten Spannungsabfall führen und

Wirbelströme vermeiden.

Diese Typ B wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 7 näher erläutert.

Wird die elektrische Maschine mit dem Wicklungskörper in

Sternschaltung betrieben, ist der Anschluss der äußersten Windung 2 zum Fixieren der elektrischen Windungspotentiale über den Sternpunkt mit der Maschinenmasse verbunden. Demgegenüber ist der Anschluss der innersten Windung 3 mit einem höchsten Potential verbunden, also dem Versorgungspotential bei einem Verbraucher als elektrische

Maschine oder dem Ausgabepotential bei einer Energiequelle als elektrische Maschine. Die innerste Windung wird daher nachstehend als Potentialwindung 3 bezeichnet. Zwischen der Massewindung 2 und der der Potentialwindung 3 befinden sich die restlichen Windungen 3 des Wicklungskörpers. Zur Veranschaulichung hat hier jede Windung 1, 2, 3 wie bereits gesagt eine Wicklung . Pro Windung 1, 2, 3 mehrere Wicklungen bewirken eine Reihenschaltung von Induktivitäten, mit der sich Typ D realiseren lässt.

Der Querschnitt des Wicklungskörpers ist im Beispiel kreisförmig und die Windungen 1 nach Typ A schneckenförmig angeordnet. Der

Wicklungskörper ist für eine Nennspannung von 110 kV ausgelegt.

Zwischen den benachbarten Windungen 1 einer Wicklungslage ist eine Spannungsdifferenz von 2 kV projektiert. Dabei sind im Beispiel keine Spannungserhöhungen durch Lastabwurf bei voller Erregung der elektrischen Maschine oder andere spannungserhöhende Szenarien betrachtet, die auf die Auslegung zusätzliche Einflüsse haben. Die für das elektrische Feld wirksame Spannungsstufung bei Nennspannung ist hier zur Veranschaulichung durchgehend auf 14 kV projektiert

(sieben Windungen) und liegt unter der kritischen Spannung in Luft von ca.27 kV. Die Stufung kann den verschiedenen Isolationsmedien angepasst werden.

Mit jeder siebten Windung 4 oder der Wicklung mit der höchsten

Spannung innerhalb der siebten Windung 4 ist ein elektrisches

Schirmelement 6 elektrisch verbunden, das die Felder der anliegenden Windung 4 oder weiterer Schirmelemente 6 abfängt (siehe Figur 1). Die Verbindung der feldgebenden Wicklung 4 mit einem elektrischen

Schirmelement 6 kann durchgehend über die gesamte Wicklung oder teilweise erfolgen. Die dadurch eventuell entstandene Lücke in der Feldsteuerung wird durch das Feld der feldgebenden Windung 4

geschlossen, wenn dieser und das elektrische Schirmelement 6 wie z.B. in den Figuren gezeichnet positioniert sind.

Figur 1 zeigt eine schneckenförmige Anordnung der Windungen 1, 2, 3,

4, die dazugehörenden Schirmelemente 6 und die Umhüllung 5.

Zum Hochspannungsanschluss der Potentialwindung 3 muss im

„Anschlussbereich" die als z.B. Schnecke ausgeführte Geometrie aufgebrochen werden. Die darauf angepassten

elektrischen Schirmelemente 8 werden mit den Schirmelementen 7 der Herausführung zum Anschließen der Potentialwindung 3 an einen Potentialanschluss, hier in Form des Hochspannungsanschlusses verbunden.

Der Sternpunktanschluss und damit der Masseanschluss der

Massewindung 2 erfolgt hier durch die Umhüllung 5 unter Beachtung deren elektrischen Potentials, wenn die Umhüllung 5 elektrisch leitfähig ist.

Figur 2 zeigt die für den Anschluss der Potentialwindung 3 aufgebrochene Schneckengeometrie mit den Schirmelementen 7 und 8 und die

Herausführung beiden äußersten Wicklungen 2 und 3 zum Anschluss an den Potentialanschluss beziehungsweise den Masseanschluss. Diese Herausführungen sind in den Figuren der Übersichtlichkeit mit den

Bezugszeichen der äußersten Wicklungen 2 und 3 versehen, um darauf hinzudeuten, wo die Herausführungen hingehören.

Im Bereich„Wicklungsversatz" z.B. vor der ersten Nut werden die einzelnen Windungen 1, 2, 3, 4, vom Masseanschluss betrachtet, an den Platz für die nächsthöhere Spannung versetzt.

Im Beispiel werden in diesem Bereich sind elektrische Schirmelemente 6 angeordnet, die aus konstruktiven Gründen mit keiner Windung

verbunden sind. Die dadurch entstandene Lücke in der Feldsteuerung wird durch das Feld der beiden Windungen 10 und 11 geschlossen, die hier durchgeleitet werden.

Die äußere Umhüllung 5 dient als Schutz der Wicklungen, zur Kühlung, zum Führen von Leitungen usw. Ist die Umhüllung 5 elektrisch leitfähig, sollte die Umhüllung 5 mit Massepotential verbunden, gegen die

Blechung der Nuten isoliert und Kurzschlüsse über die Umhüllung 5 vermieden werden. Wird die Umhüllung 5 mit der Massewicklung 2 anstatt einem Masseanschluss verbunden oder ersetzt sie den

Masseanschluss, erfüllt sie de Aufgabe eines elektrischen

Schirmelementes 6. Die elektrischen Schirmelemente 14 im Beispiel werden, wie in Figur 4 veranschaulicht, aufgetrennt, um einen Kurzschluss der feldgebenden Windungen 4 beziehungsweise über die der Maschineninduktion

ausgesetzten Schirmelemente 6 zu verhindern. Die Trennstellen 15 der einzelnen Schirmelemente 14 können versetzt angebracht sein (Figur 4), um negative Einflüsse auf die Feldsteuerung zu minimieren. Sollte das elektrische Feld zu sehr durch den entstandenen Spalt durchgreifen, können sich die Enden der elektrischen Schirmelemente 14 isoliert überlappen. Auch eine elektrisch leitende Umhüllung 5 wird zur

Kurzschlussvermeidung aufgetrennt.

Figur 3 zeigt die elektrischen Schirmelemente 14 und Verbindungen der einzelnen Windungen beim Versatz, wobei zur Anschaulichkeit nur die Verbindungen 10, 11 von und zu Feldsteuerwindungen 4, der Versatz 13 der äußersten Windung 2 in die reguläre Wicklungsgeometrie sowie der Übergang 12 zur innersten Windung 3 dargestellt sind.

Figur 4 zeigt die Verhinderung von Windungskurzschlüssen durch

Trennungen 15 der einzelnen elektrischen Schirmelemente und der leitenden Umhüllung 5 beim Versatz 13, wobei deren verdeckte Kanten zur Anschaulichkeit als Volllinie sowie keine Windungen dargestellt sind.

Bei einer Kombination vom Bereich„Anpassung auf Wicklung" und „Wicklungsversatz" werden die Schirmvorrichtungen 14 analog zu denen im Bereich Wicklungsversatz aufgetrennt. Deren Geometrie und die der Umhüllung 5 werden an die beiden verschiedenen zu verbindenden Geometrieanordnungen 5-9 und 6-8 angepasst.

Figur 5 zeigt die Verbindungen der einzelnen Windungen bei der

Kombination Anpassung auf Windung und Wicklungsversatz und die Geometrie der Schirmelemente 6 und 8, wobei zur Anschaulichkeit nicht alle Verbindungen und im Verbindungsbereich keine Feldsteuerung und Umhüllung 5 dargestellt sind.

Bei Typ C werden statt den Schirmelementen des Typ B, die

grundsätzlich mit einzelnen Windungen elektrisch verbunden sein können, Schirmvorrichtungen zum Erhalt der Potentiale zur Feldsteuerung als ohmsch-kapazitiver Spannungsteiler ohne elektrisch leitende Verbindung zu den Windungen genutzt (Figuren 8 bis 9).

Sachlich stehen die Schirmvorrichtungen den Schirmelementen gleich, weshalb sie in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Der einzige Unterschied ist, dass sie keine elektrische Verbindung zu einer Windung im Wicklungskörper besitzen.

Figur 8 zeigt eine Anordnung der Windungen 1 für eine schmale

rechteckige Nutengeometrie und die dazugehörende Schirmvorrichtung 6 beim Typ C.

Figur 9 zeigt den Anschluss der innersten Windung 3 bei der

Fierausführung mit den Schirmvorrichtungen 7 für den Anschlussbereich der äußersten Windung 3 an den Potentialanschluss und dem Anschluss der inneren Windung 2 an den Masseanschluss beim Typ C.

Der durch diesen Spannungsteiler fließende Strom erzeugt an den

Schirmvorrichtungen 6 ein elektrisches Potential abhängig von den Kapazitäten und ohmschen Leitwerten zwischen den einzelnen

Schirmvorrichtungen 6 und deren benachbarten Windungen 1. Die Potentiale zwischen den Schirmvorrichtungen 6 ergeben die auf den dazwischen-liegenden Bereich wirkende Spannung.

Typ C eignet sich unter anderem zum Einfügen auf einen Teilabschnitt des Wicklungskörpers begrenzter Schirmvorrichtungen zur Generierung von zusätzlichen Potentialen für Herausführungen, wenn die im

Wicklungskörper verwendete Spannungsstufung zu groß ist.

Figur 10 zeigt auf einen Teilabschnitt des Wicklungskörpers begrenzte Schutzvorrichtungen 6a, die mit zur Überleitung des Steuerpotentials mit den zusätzlichen Schutzvorrichtungen 7a verbunden sind.

Um externe kapazitive Einflüsse aus der Umgebung der elektrischen Maschine zu minimieren empfiehlt es sich außerhalb des Wicklungskörpers das Massepotential konstruktiv zu definieren oder die Umhüllung 5 als Schirmelement 6 nach Typ B auszuführen.

Die Potentiale der einzelnen Schirmelemente und Schirmvorrichtungen sollten so projektiert werden, dass deren Spannung an den Öffnungen deren Querschnittsgeometrie, wie im Beispiel verwendet, gegenüber den Spannungen der sich dort befindenden Windungen 1 möglichst gering ist. Dadurch wird der Durchgriff des elektrischen Feldes minimiert.

Bei Gleichspannungsmaschinen bestimmen im eingeschwungenen

Zustand die ohmschen Querleitwerte des Isolationsmaterials die

Potentiale der Schirmvorrichtungen und Schirmelemente. Wegen

Spannungsschwingungen durch z.B. Schaltvorgänge, Restwelligkeit des Netzes usw. müssen auch die Kapazitäten berücksichtigt werden, um schädliche Potentialverzerrungen der Schirmvorrichtungen und

Schirmelemente mit der Gefahr eines Lichtbogenüberschlags zu

vermeiden. Bei elektrischen Maschinen mit Wechselspannungsphasen überwiegt der kapazitive Teil des Spannungsteilers.

Aufgrund der unterschiedlichen Durchmesser der einzelnen

Schirmvorrichtungen und Schirmelemente ändern sich deren Flächen und damit die Kapazitätswerte der Einzelkapazitäten und die Querleitwerte des ohmsch-kapazitiven Spannungsteilers in Typ-C. Zur Anpassung an projektierte Potentiale können diese über die Dielektrizitätskonstanten Er bzw. die Querleitwerte der Isoliermittel, den resultierenden Abständen der Schirmvorrichtungen und Schirmelemente von anderen

Schirmvorrichtungen und Schirmelementen sowie Windungen auf der einen Seite und durch gezielte Flächenänderung auf der anderen Seite beeinflusst werden.

Zur Beeinflussung der Dielektrizitätskonstanten Er bzw. des

Querleitwerts kann ein Gemisch aus verschiedenen Isolationsmaterialien mit unterschiedlichem Dielektrizitätskonstanten Er bzw. Querleitwert verwendet werden, wobei die resultierende Dielektrizitätskonstanten Er bzw. der resultierende Querleitwert durch das Mischungsverhältnis verändert wird. Es können auch mehrere Isolationsschichten mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten Er bzw. Querleitwert zwischen den einzelnen Schirmvorrichtungen und Schirmelementen sowie den Wicklungen aufgebracht werden. Die Anpassung erfolgt hierbei über das

unterschiedliche Schichtdickenverhältnis der einzelnen

Isolationsschichten.

Wenn konstruktiv möglich kann auch die Fläche der inneren

Schirmvorrichtungen und Schirmelemente durch zusätzliche Wölbungen im Querschnitt oder ähnliche konstruktive Maßnahmen vergrößert werden. Zur Flächenvergrößerung können auch Anbauten außerhalb des Wicklungskörpers verwendet werden. Typ D: Das zusätzliche Einbringen von Wicklungen in jede einzelne Windung zur Potentialgenerierung für die Schirmvorrichtungen und Schirmelemente in den vorhandenen Wicklungskörper elektrischer Maschinen als Beispiel induktiver Kopplung wirkt grundsätzlich wie Typ B.