DE2921114A1

DE2921114A1 - Wickelverfahren fuer einen elektrischen generator und danach hergestellter drehstromgenerator

Info

Publication number: DE2921114A1
Application number: DE19792921114
Authority: DE
Inventors: Alfred Groezinger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1979-05-25
Filing date: 1979-05-25
Publication date: 1980-12-04
Also published as: ES8200525A1; BR8003237A; JPS55157948A; US4307311A; ES491792A0; JPH0373225B2; GB2053580B; FR2457589A1; YU125380A; AU5793280A; FR2457589B1; AU530742B2; DE2921114C2; GB2053580A

Description

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Dipl. Ing. Peter Otto 7033 Herrenberg (Kuppingen)

Patentanwalt H Eifelstraße 7

Telefon (O70 32) 319 99

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19. April 1979

ROBERT BOSCH GMBH, 7000 STUTTGART 1

Wickelverfahren für einen elektrischen Generator und danach hergestellter Drehstromgenerator

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Wickelverfahren für einen elektrischen Generator nach der Gattung des Hauptanspruchs sowie von einem elektrischen Generator nach der Gattung des ersten Vorrichtungsanspruchs. Elektrische Generatoren sind in vielfältigen Ausführungsformen bekannt; bei dem hier interessierenden Gebiet der elektrischen Drehstromgeneratoren für Verwendung in fahrbaren Einheiten, Kraftfahrzeugen, Bahnen u. dgl. ergeben sich für die jeweiligen Abmessungen der verwendeten Drehstromgeneratoren bestimmte Größen- und Leistungsbereiche, die aufgrund der mechanischen Gegebenheiten und des Leistungsbedarfs bestimmt sind.

So ist es beispielsweise bei Drehstromgeneratoren für

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Kraftfahrzeuge bekannt, in der* Nuten eines feststehenden Ständers jeder der üblichen verwendeten drei Phasen eine Spule zuzuordnen und so in die Nuten einzulegen, daB sich, bezogen auf den elektrischen Bereich, in den drei Phasenspulen drei um jeweils 120° zueinander versetzte Spannungen ergeben, die auf die magnetische Induktion des vom umlaufenden Läufer herrührenden Läuferfeldes zurückzuführen sind.

Der drehangetriebene Läufer oder Anker verfügt üblicherweise über eine Erregerwicklung, deren Erregerstrom reglergesteuert ist und die mit den sich drehenden Ankerteilen umläuft bzw. in bestimmten Fällen ebenfalls stationär ausgebildet sein kann. Durch eine bestimmte Formgebung des Ankers (Klauenpolläufer) ergibt sich das magnetische Wechselfeld, welches in den Ständerwicklungen die Phasenspannungen induziert. Die Ständerwicklungen können, wie bekannt, als Sternschaltung oder als Dreieckschaltung ausgebildet sein. Rotiert die Erregerwicklung mit dem Anker, dann wird ihr der Erreger(gleich)strom über zwei Schleifringe zugeführt.

Da bei fahrbaren Einheiten wie Kraftfahrzeugen u. dgl. dem Bordnetz zur Energiespeicherung üblicherweise eine Batterie zugeordnet ist, handelt es sich praktisch immer um Gleichstrombordnetze, so daß die von dem Drehstromgenerator abgegebenen Wechselströme mit Hilfe geeigneter Gleichrichterbrücken gleichgerichtet und dann dem Bordnetz zugeführt werden.

Bei der Bewicklung des Stators mit den Spulen für die Phasenspannungen sind bekannt die sogenannten Wellenwicklungs- und die sogenannten Schleifenwicklungsverfahren, wobei die folgende Erläuterung sich hauptsächlich auf das Wellenwicklungsverfahren bezieht. Handelt es sich wie bei

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Drehstromgeneratoren für Kraftfahrzeuge und auch sonst üblich um Dreiphasendrehstromgeneratoren, dann wird der Ständer mit drei Wellenspulen bewickelt, wobei in jede dieser Spulen eine Phasenspannung durch die Ankerrotation induziert wird, die um 120 elektrische Grad zueinander versetzt sind.

Das bekannte Wellenwicklungsverfahren, welches im folgenden zum besseren Verständnis der Erfindung sofort anhand der Figuren 1 und 3 erläutert wird, besteht dann darin, diese drei Wellenspulen so in den Ankernuten unterzubringen, daß bei Ermöglichung einer automatischen Bewicklung die Statornuten von den Ober- und Unterstegen der Wellenwicklungen (oder Schleifenwicklungen) so belegt werden, daß sich bei Erzielung eines möglichst hohen Füllfaktors und hohen Wirkungsgrades die gewünschten Phasenverteilungen ergeben. Die Fig. 3 zeigt schematisch, wie hierzu vorgegangen wird, wobei von einem ringförmigen Statorpaket mit wie üblich innenliegenden Statornuten ausgegangen wird, in die die Drahtwicklungen von den Wickelautomaten automatisch eingelegt werden. Aus gegebenen Gründen, nämlich Abmessungen, Festigkeit, erforderliche Aufnahmefähigkeit für durch die erforderlichen Stromstärken bestimmten Draht dicken der Wellenspulen u. dgl. verfügen gängige Drehstromgeneratoren für den Kraftfahrzeugbereich über 36 Ständernuten, von denen in Fig. 3 die Nuten 1 bis 14 dargestellt sind, die sich dann mit den Nuten 15 bis 35 (nicht dargestellt) fortsetzen; an die Nut 36 schließt sich dann wieder die Nut 1 an.

Für ein Dreiphasensystem sind drei Wellenspulen I, II und III in die Ständernuten einzuwickeln, wobei mit einer beliebigen Wellenspule begonnen wird, beispielsweise der Wellenspule I, deren Windung in die Nut 1 eingelegt wird, dann über einen oberen Bogen Ia mit dem in die Nut 4 eingelegten

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Stab verbunden ist, der wieder über einen unteren Bogen Ib mit dem in die Nut 7 eingelegten Stab usf. verbunden ist. Man erkennt, daß sich eine Wellenwicklung ergibt, wobei die so gebildete Wellenspule mit ihren Stäben jeweils in aufeinanderfolgende Nuten, dabei immer zwei der Nuten des Ständers überspringend, eingelegt wird, bis die erforderliche Anzahl von Windungen für die Wsllenspule der ersten Phasenspannung fertiggestellt ist. Man erkennt auch, daß sich beim Bewickeln des Ständers mit der ersten Wellenspule, beginnend mit der Nut 1, keine Schwierigkeiten ergeben, die in die Nuten eingelegten Windungen oder Stäbe der betreffenden Wellenspule können bis zum Nutgrund gedrückt werden und liegen einwandfrei in den Nuten, da sie dirch nichts behindert werden.

Dies ist aber schon anders, wenn man die Wellenspule II

betrachtet

für eine der nächsten Phasenspannungen/- auf die elektrische Verschaltung soll es hier zunächst nicht wesentlich ankommen, sondern lediglich der mechanische Wicklungsablauf dargestellt werden - ; denn bei der Wellenspule II, deren erster Steg in die Nut 3 eingelegt wird, läßt sich dieser Steg schon nicht einwandfrei in den Nutgrand einbringen, da bei χ im oberen Bereich der Darstellung der Fig. 3 eine Uberkreuzung mit dem oberen Bogen der in durchgezogener Linienführung dargestellten Wellenspule I erfolgt, die nicht vermieden werden kann. Das bedeutet, daß an dieser Stelle die Wellenspule oder die Phasenwicklung II etwas stärker in Richtung auf das Statorinnere gedrückt wird, auf jeden Fall also aus der ihr zugehörigen Nut 3 herausgedrückt wird. Dementsprechend verläuft dann der von de:; Wellenspule II oben gebildete Bogen Ha etwas schräg bis zur Einlage in die Nut 6, an welcher Stelle, zumindest im oberen Bereich, diese WickJ.ungslage ohne Schwierigkeiten in die Nut eingebracht werden kann. Es ergibt sich dann aber im unteren Bereich bei y wiederum

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eine Uberkreuzung mit der schon eingelegten und voll eingewickelten ersten, älteren Spule I, so daß schon diese zweite Wellenspule II nicht so behinderungsfrei in die ihr zugeordneten Statornuten eingelegt v/erden kann, wie dies zur Erzielung besonders hoher Füllfaktoren eigentlich wünschenswert wäre. Mit besonderen Nachteilen behaftet ist dann aber das Einwickeln der dritten Wellenspule III, die in Fig. 3 strichpunktiert dargestellt ist - die Wellenspule II ist gestrichelt angegeben. Man erkennt schon aus der sehr schematisierten Darstellung der Fig„ 3, daß die Wellenspule III sowohl oben als auch unten, also bei y¹ sowie bei x' jeweils einen Uberkreuzungspunkt mit den schon in den Statornuten eingelegten früheren Verbindungsbögen Ia, Ib, Ha. . . der ersten beiden Wellenspulen I und II aufweist, und zwar vergleichsweise nahe im Bereich der Nut, in welche diese dritte Wellenspule einzulegen ist, beginnend mit der Mut 5 und dann folgend der Nut 8, der Nut 11 usf. Mit anderen Worten, die beiden schon eingelegten Wellenspulen I und II verhindern, daß die Wellenspule III mit ihren Stegen überhaupt bis voll zum Nutgrund ihrer zugeordneten Nuten gedrückt werden kann, so daß einmal bei den bekannten Wikkelverfahren die Nuten vergleichsweise tief ausgebildet v/erden müssen, damit alle Windungen aller drei Wellenspulen mit ihren Ober- und Unterstäben von den Muten aufgenommen werden können, wobei aber andererseits aufgrund dieser Wickelverfahren innerhalb der Nuten Freiräume verbleiben, wie ohne weiteres einzusehen ist, da immer die schon gewickelten und in die Nuten eingelegten Spulen die nachfolgenden Wellenspulen behindern. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Spulen, wenn sie gewickelt werden, auch zwangsläufig und bei den bekannten Verfahren daher insofern vorzeitig in die zugeordneten Nuten eingelegt werden müssen, so daß sie den nachfolgenden Nuten den Weg versperren.

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Die Darstellung der Flg. 1 versucht, diesen Umstand anschaulich in perspektivischer Ansicht zu zeigen; man erkennt , daß die Wellenspule I vergleichsweise komfortabel in den zugeordneten Nutgründen sitzt, wobei immer zwei Ständer- cder Statornuten bei einem Dreiphasensystem beim

Einwickeln übersprungen sind. Auf die Wellenspule II trifft dies schon nicht mehr in diesem Maße zu; man erkennt bei χ sehr deutlich den Überkreuzungspunkt des oberen Bogens Ha mit dem oberen Bogen Ia, während der zu diesem Überkreuzungspunkt χ entferntere Stegbereich bei 1 noch einwandfrei in die zugeordnete Nut eingelegt und nach unten gedrückt werden kann.

Man erkennt aber auch aus der perspektivischen Darstellung der Fig. 1, daß der dritten Wellenspule III an allen Stellen die beiden vorher in ihre zugeordnete Ständernuten eingewickelten Wellenspulen I und III im Wege stehen, es ergeben sich daher obere und untere Uberkreuzungspunkte x' mit der Wellenwicklung II sowie ζ (beide oben) mit der Wellenwicklung I. Die letzte Wellenspule III wird im Grunde lediglich noch von außen - d.h. vom Statorinneren her - auf die Wellenspulen I und II draufgewikkelt, wobei bei mdeutlich zu erkennen ist, daß der dieser Wellenspule III eigentlich zur Verfügung stehende Nutraum gar nicht voll ausgenutzt ist und auch nicht voll ausgenutzt werden kann, denn die Ober- und Unterbögen der früheren Wellenspulen verhindern dies. Selbstverständlich nützen auch die früher eingelegten Wellenspulen den an sich zur Verfügung stehenden Nutraum nicht ausreichend aus, und zwar in dem gleichen Maße nicht, wie dies für die Wellenspule III zutrifft, denn der vorhandene Nutraum muß für die Wellenspulen I und im entsprechenden Maß für die Wellenspule II ein so starkes Zurückweichen dieser beiden ersten Wellenspulen ermöglichen, daß die dritte Wellenspule III überhaupt noch eingewickelt werden

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Es ergibt sich insgesamt ein nicht befriedigendes Ergebnis, welches, wie einzusehen, die Erzielung optimaler Füllfaktoren bei gegebenen Ständerabmessungen behindert. Andererseits muß man sich aber vor Augen halten, daß jede Lösung einer Statorbewicklung, sei es in Schleifenoder Wellenform den Erfordernissen der automatischen Bewicklung gerecht werden muß, d.h. Wickelverfahren, die zwar einen optimalen Füllfaktor sichern, aber nicht automatisch durchgeführt werden können,tragen zur Lösung des Problems nicht bei.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Wicklungsverfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Verfahrensanspruchs bzw. der erfindungsgemäße Drehstromgenerator mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Vorrichtungsanspruchs haben demgegenüber den Vorteil, daß sich Nutfüllfaktoren erzielen lassen, die um 25 bis 30 % höher sind als die bisher mit automatischen Wickelmaschinen erreichbaren Füllfaktoren, so daß sich, wohlgemerkt bei Zugrundelegung von vergleichbaren Drehstromgeneratoren mit gleichen Abmessungen und gleicher Nutenzahl der Ständerwicklung Drehstromgeneratoren mit einer wesentlich höheren Stromleistung, einem geringeren Geräuschpegel oder niedrigerer Erwärmung herstellen lassen.

Besonders vorteilhaft ist, daß das erfindungsgemäße neue Wickelverfahren von schon vorhandenen Wickelautomaten durchgeführt werden kann, wobei lediglich in der Steuerung der Wiekelautomaten bestimmte Änderungen vorzunehmen sind.

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Die drastische Leistungserhöhung, die erfindungsgemäß ausgebildete Drehstromgeneratoren erzielen, führt zu ungewöhnlich steilen Generatorkennlinien, wobei sich durch die Erfindung Verbesserungen an sämtlichen bekannten Drehstromgeneratoren erzielen lassen»

Besonders vorteilhaft ist noch, daß die Erfindung eine Vielzahl von möglichen SchaltungsVarianten bezüglich der endgültigen elektrischen Verbindung der in die Statornuten eingebrachten Wicklungen zuläßt, so daß sich bei gegebener Stromausbeute, entweder sehr hohe Spannungen oder bei Verbleiben auf gängigen Spannungsgrößen, wie 12 oder 24 V wesentlich höhere Stromausbeuten erzielen lassen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung möglich. Besonders vorteilhaft ist, daß wegen des extrem hohen, erreichbaren Füllfaktors die Ständerbewicklung auch günstiger ausgelegt werden kann, so daß man beispielsweise statt 8 Leitungen pro Nut mit hohem Kupferquerschnitt,, etwa bei Generatoren bis 65 Amp, mit 7 Leitungen pro Nut arbeiten kann, wodurch man die schon erwähnte sehr steile Kennlinie erhält, die, auch hier lediglich als Beispiel angeführt, schon bei einer Umdrehungszahl von 2000 min" einen Strom von 50 Amp erbringt, bei einer Amperezahx von 75 bei Maximaldrehzahl.

Zeichnung

Ein AusführungsJ.eispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Figuren 1 und 3 aie Verhältnisse bei einer bekannten Ständerbewicklung nach dem Wellenwicklungsverfahren, wobei insgesamt drei Wellenspu-

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len in die Ständernuten eingewickelt sind, jeweils in schematischer Darstellung sowie in einer perspektivischen Ausschnittsansicht, Fig. 2 zeigt, ebenfalls in Form einer perspektivischen AusSchnittsdarstellung einen Statorteil, der mit einer neuen Wicklung nach dem erfindungsgemäßen Wickelverfahren bewickelt ist, Fig. 4 zeigt in schematischer, auseinandergezogener Darstellung das erfindungsgemäße WeIlenwicklungsverfahren, die Figuren 5a bis 5d zeigen mögliche Schaltungsvarianten bezüglich der elektrischen Verschaltung erfindungsgemäßer Wellenspulenteile und die Figur 6 zeigt die Kennlinie eines mit der erfindungsgemäßen Statorwicklung versehenen elektrischen Drehstromgenerators.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der Grundgedanke vorliegender Erfindung besteht darin, jede Phasenwicklung des Ständers, bei einem Dreiphasensystem und bei einer Bewicklung nach dem Wellenwickelverfahren, also jede der drei üblicherweise vorhandenen Wellenspulen aufzuteilen, also mindestens zwei Wellenteilspulen für jede Phasenwicklung vorzusehen und diese Wellenteilspulen, die jede für sicheiren Spulenanfang und ein Spulenende aufweisen, aufeinanderfolgend zu wickeln und in die Nuten einzulegen, wobei jede darauffolgende Wellenspule ,-zunächst betrachtet von der rein mechanischen Wikkeltechnik,-nur um eine Nut des Ständers oder Stators versetzt gegenüber der vorhergehenden Wellenteilspule eingewickelt wird. Man erzielt so eine gegenseitige, nicht störende Überlappung der zunächst zu beliebigen-Wellenteilspulen gehörenden Einzelwickelteile, wobei sich über dem Umfang des Stators gesehen Segmente ergeben, die sich ihrerseits wieder gegenseitig überlappen. Bei Aufteilung in zwei Wellenteilspulen jeder Phasenwicklung ergeben sich

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in jeder Nut von verschiedenen Wellenteilspulen herrührende Wicklungsteile, also insofern jeweils ein Ober- und ein Untersteg, wobei elektrisch gesehen selbstverständlich diese beiden Wellenteilspulen, deren Ober- und Unterstege in der gleichen Nut fortlaufend einliegen, einander auch durch die gleiche Phasenlage zugeordnet sind. Hierauf wird aber weiter unten noch genauer eingegangen. Wesentlich ist, daß das erfindungsgemäße Wickelverfahren eine kontinuierliche, automatische Bewicklung erlaubt, wobei die Anfänge der Wellenteilspulen fortlaufend immer in die unmittelbar nächstfolgende Nut eingelegt und diese Wellenteilwicklung dann über den gesamten Umfang des Stators, auch hier selbstverständlich, wie bei einem Dreiphasensystem üblich, immer zwei Nuten überspringend, eingewickelt wird.

Die Darstellung der Fig. 4 zeigt in einer nach unten auseinandergezogenen, sonst aber der Darstellung der Fig. 3 ähnlichen Ausführung die Grundkonzeption des erfindungsgemäßen Wellenwickelverfahrens, während die Fig. 2 versucht, die neue Wicklungsform anhand der perspektivischen Darstellung anschaulich zu verdeutlichen. Auch ein oberflächlicher Vergleich der Darstellung der Figuren 1 und 2 zeigt sofort, daß bei gleichem Ausschnitt in den mit der Fig. 1 identischen Stator eine wesentlich größere Kupfermenge eingebracht werden kann, woraus auch der extrem hohe Nutfüllfaktor resultiert.

Es versteht sich, daß entsprechend dem neuen Wickelverfahren bei sechs Wellenteilspulen jetzt auch insgesamt zwölf Drahtenden elektrisch miteinander zu verschalten sind, was aber nicht nachteilig ist, denn diese Drahtenden liegen auch bei dem erfindungsgemäßen Wickelverfahren auf einem schmalen Statorsegment, entsprechend der bevorzugten Ausführungsform der Fig. 4 von der 34. Nut bis zur

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5. Nut einschließlich vor, so daß die Verschaltung leicht vorgenommen werden kann, ohne daß Drahtenden über den Statorumfang geführt werden müssen. Gerade durch die Möglichkeit der unterschiedlichen Verschaltung der vorhandenen Wellenteilwicklungs-Anschlüsse ergeben sich aber noch Variationsmöglichkeiten bezüglich des endgültig erreichbaren, elektrischen Systems mit einer Vielzahl von neuen Freiheitsgraden, die mit Vorteil ausgenutzt werden können. Auch hierauf wird weiter unten noch eingegangen. Im übrigen ist darauf hinzuweisen, daß das erfindungsgemäße Wickelverfahren in der nachfolgenden Erläuterung zwar anhand eines Wellenwickelverfahrens erläutert wird, in sinngemäßer Anwendung der erfindungsgemäßen Grundkonzeption selbstverständlich aber auch andere Wickelverfahren verbessert werden können, beispielsweise die bekanntenSchleifenwickelverfahren .

Ergeben sich, wie bei vorliegendem Ausführungsbeispiel pro Phasenwicklung, also pro Wellenspule zwei Wellenteilspulen, dann sind also insgesamt, wie in Fig. 4 gezeigt, sechs Wellenteilspulen, die aufeinanderfolgend mit II¹, 12', IH¹, 112', III1 ·, III2¹ bezeichnet sind, in den Ständer einzuwickeln.

Die Darstellung der Fig. 4 ist zunächst vom rein mechanischen Wickelaufbau zu betrachten; im oberen Teil der Fig. 4 sind die Nuten 28 bis 36 sowie sich unmittelbar daran anschließend 1 bis 15 in der offenen, also abgewickelten Form dargestellt; es sei angenommen, daß der mechanische Wickelbeginn, wie durch den gestrichelten Pfeil A angegeben, in der Nut 1 erfolgt; der durchgezogene zu dem Pfeil A rechtwinklig verlaufende Pfeil B gibt die Wickelrichtung an. Bei vorhandenen sechs Wellenteilspulen - Voraussetzung: Dreiphasensystem; jede Phase wird in zwei Halbphasen zerlegt, die entsprechend durch

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Halbphasen-Wellenteilspulen realisiert werden - wird die einer ersten Halbphase 11' zugeordnete Teilwickelspule U1X1 als erste gewickelt und sofort in die Ständernuten eingelegt, wobei der Wicklungsbeginn in der Nut 1 erfolgt. Der Anfang dieser Teilwickelspule ist mit U1 bezeichnet; man erkennt, daß die Windungen dieser Spule, jeweils zwei Nuten überspringend in die Nut 4, die Nut 7, die Nut 10 usf. des Ständers eingelegt werden - hier in Form einer Wellenwicklung -,so daß sich jeweils obere und untere, fortlaufend in Wickelrichtung erstreckende, die in den Nuten eingelegten Windungsteile verbindende Bögen ergeben. Diese Wicklung wird so lange durchgeführt, bis die gewünschte Spannung von der Spule unter Zugrundelegung der anderen magnetischen oder elektrischen Daten des Generators erreicht ist. Das Ende der Teilwickelspule ist mit X1 bezeichnet; zwischen X1 und U1 ist aber eine Verbindung C gezeichnet, die lediglich darauf hinweist, daß selbstverständlich diese Spule auch mehrfach über den Umfang des Stators und in dessen Nuten eingelegt verlaufen kann.

Der mechanische Wickelverlauf setzt sich dann mit dem Einwickeln einer weiteren Teilwickelspule III2¹ mit dem Spulenanfang Z2 und dem Spulenende W2 fort, und man erkennt, daß bei dieser nächsten Spule - ohne daß hier zunächst irgendwie auf eine elektromagnetische oder elektrische Zuordnung zu achten wäre - diese zweite Teilwickelspule III2¹ mit ihrem Anfang Z2 in der Nut 2 beginnt, wiederum zwei Nuten überspringt, wie üblich bei einem Dreiphasensystem, dann in die Nut 5, in die Nut 8 usf. eingelegt ist. Dies setzt sich dann über die Teilwickelspulen IH¹, 12· usw. fort, wobei die Anfänge der einzelnen Teilwickelspulen U1, Z2, V1, X2, W1, Y2 jeweils um eine Nut des Ständers in Wickelrichtung versetzt angeordnet sind und den Beginn dieser jeweiligen Teilwickelspulen angeben.

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Die Pfeile an den Anfängen und Enden der Spulen geben lediglich die elektrische Stromrichtung an und sind bei der Betrachtung der mechanischen Wickeltechnik noch nicht zu berücksichtigen.

Wie schon erwähnt, sind in der Darstellung der Fig. 4 die einzelnen Teilwickelspulen sowohl als Teilabwicklung sowie von oben nach unten in der Bildebene auseinandergezogen dargestellt; man muß sie sich selbstverständlich übereinander und ineinander verschachtelt im Statorpaket angeordnet vorstellen, wobei die einzelnen Windungen der Spulen so übereinanderliegen, wie dies der soeben geschilderten Wickeltechnik entspricht, d.h. die Windungen der Wickelteilspule 11' liegen als unterste in den Statornuten, darauf kommen dann die Windungen der zweiten Teilwickelspule III 2 ' usf. Diese Wickeltechnik garantiert die in Fig. 2 erkennbare Überlappung und den wesentlich besseren Füllungsgrad der Ständernuten, der erreicht werden kann.

Beim Aufbau einer solchen Ständerwicklung, die als Zweischichtwellenwicklung oder als verteilte Wellenwicklung bezeichnet werden kann, mit Hilfe von vorhandenen, lediglich in ihrer Steuerung umgestellten Wiekelautomaten ergeben sich dann sechs kurze und sechs lange freie Drahtenden, die entsprechend verschaltet werden müssen.

Als Anhaltspunkt,wie eine solche Verschaltung vorzunehmen ist, kann wiederum die Darstellung der Fig. 4 dienen, die nämlich erkennen läßt, welche Windungen welcher Teilwickelspulen in den gleichen Ständernuten liegen und daher auch die gleichen Phasenlage zueinander haben. Man erkennt, daß in den gleichen Ständernuten 1,4, 7 usf. die Windungen der Wickelteilspulen 11* und 12' eingelegt sind, daher verfügen diese beiden Teilwickelspulen auch über die

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gleiche Phasenlage und können elektrisch gleich behandelt werden. Das gleiche trifft dann, wie ohne weiteres einzusehen, für die Teilwickelspulen III2¹ mit III1 · sowie IH · mit 112' zu.

Der Grund für diese drastische Erhöhung der Füllfaktoren durch das erfindungsgemäße automatische Wickelverfahren liegt darin, daß die Wickelköpfe keine der weiter vorn mit Bezug auf den bekannten Stand der Technik geschilderten Kreuzungsstellen enthalten und daher jede Nut vom Nutgrund an optimal voll gewickelt werden kann. Dabei ist der Umstand, daß bei Anwendung des erfindungsgemäßen Wickelverfahrens auf den vorhandenen Wiekelautomaten der Ausstoß geringfügig sinkt, von untergeordneter Bedeutung; für die Vornahme der elektrischen Verbindungen aufgrund der größeren Anzahl vorhandener Drahtenden läßt sich eine automatisch arbeitende Schaltmaschine einsetzen, so daß ein höherer Arbeitskräfteaufwand nicht auftritt.

Die Darstellung der Figuren 5a bis 5d zeigt die möglichen Schaltungsvarianten, die sich aufgrund des zunächst mechanischen, im vorhergehenden geschilderten Wickelverfahrens ergeben. Da jeweils zwei der in den Ständer eingewickelten Teilwickelspulen die gleiche Phasenlage haben, können folgende Schaltungen dieser Teilwickelspulen vorgenommen werden:

1) eine Stern-Serienschaltung entsprechend Fig. 5a, bei der die beiden Teilwickelspulen mit gleicher Phasenlage jeweils in Serie geschaltet sind und dann die übliche Sternschaltung vorgenommen wird;

2) eine Stern-Parallelschaltung, bei der die jeweils eine gleiche Phasenlage aufweisenden Spulen parallel geschaltet sind und die übliche Sternform aufweisen;

3) eine Dreieck-Serienschaltung, bei der wiederum

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die beiden Teilwickelspulen mit gleicher Phasenlage in Reihe geschaltet sind, jedoch die Dreieckschaltung der sich ergebenden Phasenwicklungen vorgenommen wird, und eine 4) Dreieck-Parallelschaltung entsprechend der Fig. 5d, bei der wiederum die Teilwickelspulen gleicher Phasenlage parallel geschaltet sind und die Gesamtschaltung eine Dreieckschaltung darstellt.

Man erkennt zunächst sofort, daß die Parallelschaltungsvarianten jeweils den doppelten Drahtdurchmesser für die einzelnen Phasen zur Verfügung haben und daher hohe Stromstärken ermöglichen, während bei der Reihenschaltung bei gleicher Stromstärke die Phasenspannungen entsprechend hoch sein können.

Bevor auf die Verschaltung der einzelnen Anschlüsse zur Erzielung der genannten SchaltungsVarianten eingegangen wird, werden zunächst die einzelnen Teilwickelspulen wie folgt bezeichnet:

1. Halbphase I1':U1-X1

2. Halbphase III2':W2-Z2

1. Halbphase 111 ·: V1-Y1

2. Halbphase I2':U2-X2

1. Halbphase III1': W1-Z1

2. Halbphase II2':V2-Y2

Für die Realisierung der Stern-Serienschaltung sind folgende Verbindungen vorzunehmen:

a) Verbindungen der Anschlüsse: X1 mit U2; Y1 mit V2; Z1 mit W2

Man erkennt, daß dann, wenn man die in die Anschlüsse U1 , V1, W2 usf. hineinzeigenden Pfeile als mit in diese An-

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Schlüsse hineinfließenden Strömen identifiziert und die an den entsprechenden Anschlüssen XI, Y1, Z 2 usf. vorhandenen Pfeile mit aus diesen Anschlüssen herausfließenden Strömen identifiziert, der aus dem Anschluß X1 herausfließende Strom in den Anschluß U2 wieder hineinfließt, so daß die echte Serienschaltung der auf diese Weise dann gebildeten Gesamtspule mit einem bei U1 hineinfließenden und bei X2 herausfließenden Strom erzielt wird. Entsprechendes gilt dann für die Vornahme der Verbindungen der anderen Teilwickelspulen, die dann bei der Bildung des Sternpunktes und der Phasenanschlüsse die folgenden Eigenschaften aufweisen.

b) Der Sternpunkt ist gebildet aus: X2-Y2-Z2 und

c) die Phasenanschlüsse sind gebildet aus: Ü1 ; V1 ; W1.

Es versteht sich, daß bei der Bildung des Sternpunktes elektrische Verbindungen zwischen X2, Y2, Z2 vorzunehmen sind.

Eine Beurteilung dieser Stern-SerienschaltungsVariante ergibt, daß insgesamt vier Verbindungen vorgenommen werden müssen, nämlich

für den Sternpunkt die Verbindungen von drei Drähten einmal und

für die inneren Verbindungen jeweils zwei Drähte miteinander dreimal.

Als Ausgänge ergeben sich dreimal ein Drahtanschluß. Diese Stern-Serienschaltung sichert daher bei vier internen Verbindungen eine vergleichsweise hohe Ausgangsspannung, wobei aber für hohe Stromstärken entsprechend große Drahtdurchmesser benötigt werden. Außerdem ergibt diese Schaltung von den vier betrachteten Varianten die geringsten Windungszahlen, d.h. die Maschinenlaufzeit oder die Wickelzeit ist am kürzesten und die Produktionsrate am größten. Außerdem ergeben große Drahtdurchmesser relativ höhere Füllfaktoren als dünnere Drahtdurchmesser.

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Bei der Stern-Parallelschaltung entsprechend Fig. 5b ist der Sternpunkt durch folgende Verbindungen realisiert: b) Sternpunktverbindungen:
X1-X2-Y1-Y2-Z1-Z2

c) Für die Phasenanschlüsse sind die folgenden Verbindungen zu treffen, die dann gleichzeitig auch die Anschlüsse nach außen bilden:

U1 mit U2; V1 mit V2; W1 mit W2

Diese Stern-Parallelschaltung benötigt die einmalige Verbindung von sechs Drähten für die Bildung des Sternpunktes und die dreimalige Verbindung von zwei Drähten, die damit dann gleichzeitig die Phasenanschlüsse nach außen bilden.

Bei der Dreieck-Serienschaltung sind folgende interne Verbindungen zu realisieren, wobei immer von den Spulenanschlüssen ausgegangen wird, wie sie in Fig. 4 dargestellt sind:

a) Vorzunehmende Verbindungen:

X1 mit Ü2; Y1 mit V2; Z1 mit W2

c) Die Phasenanschlüsse werden durch folgende, gleichzeitig Verbindungen bildende Anschlüsse realisiert: U1 mit Z2; X2 mit Vi; Y2 mit W1

Als charakteristische Eigenheiten ergeben sich somit bei der Dreieck-Serienschaltung die dreimalige Verbindung von je zwei Drähten für die inneren Schaltungen und die ebenfalls dreimalige Verbindung von zwei Drähten für die äußeren Phasenanschlüsse.

Bei der Dreieck-Parallelschaltung sind sämtliche zu treffenden Verbindungen gleichzeitig auch Phasenanschlüs-

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se, die sich daher wie folgt darstellen: c) Phasenanschlüsse:

Phasenanschluß I: U1 mit U2 mit Z1 mit Z2 Phasenanschluß II: X1 mit X2 mit V1 mit V2 Phasenanschluß III: Y1 mit Y2 mit W1 mit W2

Somit sind dreimal je vier Drähte miteinander zu verbinden, die gleichzeitig die Ausgänge darstellen. Bei dieser Schaltung können, wie bei der Sternparallelschaltung hohe Ausgangsstromstärken erzielt werden. Bei hohen Windungszahlen und langen Wickelzeiten ist auf jeden Fall der Vorteil der einfachsten Verschaltung zu erzielen. Es versteht sich im übrigen, daß bei allen vier Schaltungsvarianten durch entsprechende Auslegung von Drahtdurchmesser und Windungszahl im Prinzip gleiche Ströme bei gleicher Spannung zu erzielen sind, also auch vergleichbare Leistungen.

Die Darstellung der Fig. 6 zeigt, daß bei einem solchermaßen aufgebauten Drehstromgenerator bei 6000 min eine Stromstärke von 85 Amp erzielt wird, wobei bei dem durchgemessenen Versuchsexemplar die Ständerwicklung in Dreieckschaltung ausgebildet war.

Man erkennt im übrigen, daß eine nach der erfindungsgemäßen Grundkonzeption ausgebildete Ständerwicklung auch für weitere Varianten geeignet ist, beispielsweise dahingehend, daß die einzelnen Phasenwicklungen in noch stärkere Unterwicklungen aufgeteilt werden, wobei infolge der Versetzung jeweils um eine Nut für die Anfänge der einzelnen Teilwicklungen stets nach drei Wicklungen wieder eine Teilwicklung erreicht wird, die bezüglich der Phasenlage die gleiche Verteilung der Windungsstege in den Ständernuten aufweist, wie die Ausgangsteilwicklung. Von besonderem Vorteil ist bei vorliegender Erfindung der Umstand, daß die Wicklungen, wie schon erwähnt, mit vorhandenen Wickelmaschinen vollautomatisch durchgeführt werden kön^nen' 030049/022 9

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ROBERT BOSCH GMBH, 7000 STUTTGART 1 Zusammenfassung

Es werden ein automatisches Wickelverfahren für einen elektrischen Generator und ein danach hergestellter elektrischer Drehstromgenerator vorgeschlagen, bei denen sich ein wesentlich höherer Nutfüllfaktor ergibt, so daß bei gleichen mechanischen Abmessungen Drehstromgeneratoren beträchtlich höherer Leistung gebildet werden können. Dabei ist jede Phasenwicklung in eine vorgegebene Anzahl von Unterteilwicklungen, mindestens zwei Unterteilwicklungen, aufgeteilt, die aufeinanderfolgend für sich gesehen jeweils zur Gänze in die Ständernuten eingewickelt sind, wobei der Anfang jeder nachfolgenden Unterteilwicklung nur um eine Nut zur jeweils unmittelbar vorhergehenden Unterteilwicklung versetzt ist. Es ergeben sich hierdurch optimal vom Nutgrund ausgehend vollgewickelte Ständernuten bei einer segmentartigen Überlappung der einzelnen Teilwickelspulen, wobei deren Enden in Stern-Serienschaltung, Stern-Parallelschaltung, Dreieck-Serienschaltung oder Dreieck-Parallelschaltung miteinander verschaltet sind.

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Claims

Patentansprüche

Automatisches Wickelverfahren für einen elektrischen Generator, insbesondere für einen Drehstromgenerator als Lichtmaschine für fahrbare Einheiten, Kraftfahrzeuge, Bahnen u. dgl., bei dem Spulen in Nuten eines stationären Ständers fortlaufend eingewickelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß je Phase mindestens zwei Teilwickelspulen vorgesehen werden, daß jede Teilwikkelspule jeweils zur Gänze in die Ständernuten, dabei in bekannter Weise eine solche Anzahl (n-1) von Nuten überspringend, wie durch die Anzahl (n) der Phasen vorgegeben, eingewickelt wird und daß mit dem Wickelanfang jeder Teilwickelspule, beginnend mit einer vorgegebenen Nut, stets in der unmittelbar nachfolgenden Nut begonnen wird, die sich an die Nut anschließt, in die der Anfang der vorhergehenden Teilwickelspule eingelegt wurde, derart, daß bei gegenseitiger Überlappung der einzelnen Wicklungen jede Ständernut vom Nutgrund an optimal voll gewickelt ist, und daß die einzelnen Teilwickelspulen anschließend unter Beachtung

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ihrer durch die Verteilung in den Nuten vorgegebenen Phasenlage elektrisch zusammengesehaltet werden.
2. Wickelverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Dreiphasenwicklung in die Ständernuten fortlaufend sechs Teilwickelspulen (H¹, III2¹, 111·, 12·, III1¹, 112') eingewickelt werden und die sich hierbei jeweils ergebenden zwölf Spulenanschlüsse zu einer Stern-Serienschaltung, einer Stern-Parallelschaltung, einer Dreieck-Serienschaltung oder einer Dreieck-Parallelschaltung verschaltet werden.
3. Elektrischer Generator, insbesondere Drehstromgenerator als Lichtmaschine für fahrbare Einheiten, Kraftfahrzeuge, Bahnen u. dgl., bei dem die Spulen in Nuten eines stationären Ständers fortlaufend eingewickelt sind und der nach dem Verfahren nach Anspruch 1 oder hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß jede Phasenwicklung in mindestens zwei Teilwickelspulen (H·, III2¹, IH¹, 12', III1¹, 112') unterteilt ist, daß jede Teilwickelspule zur Gänze und aufeinanderfolgend in die Ständernuten, sich dabei überlappend eingelegt ist, daß der Anfang jeder nachfolgenden Teilwickelspule um lediglich eine Nut gegenüber dem Anfang der jeweils vorhergehenden Teilwickelspule versetzt ist und daß die sich insgesamt ergebenden Teilwickel-Spulenenden zur Bildung einer Stern- oder Dreieckschaltung elektrisch miteinander verschaltet sind.
4. Drehstromgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Dreiphasengenerator sechs Teilwickelspulen vorgesehen sind, die mit jeweils um eine Ständernut versetzten Wickelanfängen jeweils zur Gänze in die Ständernuten, sich dabei überlappend eingewikkelt sind.

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5. Drehstromgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die sechs Teilwickelspulen eine Stern-Serienschaltung bilden.
6. Drehstromgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die sechs Teilwickelspulen eine Stern-Parallelschaltung bilden.
7. Drehstromgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die sechs Teilwickelspulen eine Dreieck-Serienschaltung bilden.
8. Drehstromgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die sechs Teilwickelspulen eine Dreieck-Parallelschaltung bilden.

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