Elektrische Maschinen

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1 Elektrische Maschinen Berechnung rotierender elektrischer Maschinen Von Professor Dr.-Ing. Karl Vogt u. a. Herausgeber: Professor Dr.-Ing. habil. Germar Müller Mit 371 Bildern und 55 Tafeln 2., durchgesehene Auflage 1 VEB VERLAG TECHNIK BERLIN

2 INHALTSVERZEICHNIS Formelzeichen 15 HAUPTABSCHNITT A Wicklungen rotierender elektrischer Maschinen Allgemeine Bezeichnungen und Gesetzmäßigkeiten Allgemeine Bezeichnungen von Ankerwicklungen Bezeichnung von Wicklungsteilen Bezeichnung von Wicklungen Allgemeine Gesetzmäßigkeiten von Ankerwicklungen Allgemeine Gesetze der Zeigerdarstellung der in den Wicklungselementen induzierten Spannung Allgemeine Wicklungsgesetze der Ankerspulen Wicklungen mit ausgebildeten Strängen Wicklungsgesetze Gesetze der Zonenbildung Symmetriebedingungen Symmetrische Bruchlochwicklungen Urwicklungen Wicklungsentwurf, Ganzlochwicklungen Einschicht-Bruchlochwicklungen Zweischicht-Bruchlochwicklungen Sonderwicklungen Bestimmung des Wicklungsfaktors aus dem Nutenstern Prinzipielle Bestimmung Ganzlochwicklungen Bruchlochwicklungen Wicklungswahl Auslegungsgleichung Synchronmaschinen Asynchronmaschinen 111

3 8 Inhaltsverzeichnis 3. Kommutatorwicklungen Wicklungsgesetze und Wicklungsbezeichnungen Prinzipielle Anordnung der Spulen Prinzipielle Schaltungen Schließungsbedingüngen Symmetriebedingungen! Ausgleichsverbindungen Wicklungsentwurf und Wicklungswahl Entwurf normaler Wicklungen Sonderwicklungen Auslegungsgleichung Wahl der Wicklung Polwicklungen Wicklungen auf ausgeprägten Polen Nebenschlußwicklungen Reihenschlußwicklungen In Nuten verteilt angeordnete Wicklungen Kompensationswicklungen Dämpferwicklungen 158 HAUPTABSCHNITT B Berechnungselemente rotierender elektrischer Maschinen Magnetischer Kreis Berechnungsgrundlagen Analytische Behandlung magnetischer Felder Prinzipieller Berechnungsgang Ermittlung magnetischer Felder Feldgebiete konstanter Permeabilität ohne Durchflutung Feldgebiete konstanter Permeabilität mit Durchflutung Analoge und digitale Ermittlung magnetischer Felder Magnetisierungskenniinie von Luftspaltfeldern Einfluß der Polform und Durchflutungsverteilung auf das Luftspaltfeld Einfluß der Unterbrechungen der Luftspaitbegrenzungsflächen auf das Luftspaltfeld Charakteristische Abschnitte des ferromagnetischen Teiles des Kreises Abschnitte mit annähernd homogenen Feldern Abschnitte mit sich längs des Integrationswegs ändernder Querschnittsfläche Abschnrtte mit sich.längs des Integrationswegs änderndem Fluß 204

4 Inhaltsverzeichnis Gegenseitige Beeinflussung der Felder der Abschnitte des magnetischen Krejses Einfluß des Feldes im Zahngebiet auf das Luftspaltfeld Magnetisierungskennlinie nebeneinanderliegender Abschnitte Einfluß des Feldes im Rückengebiet auf das Luftspaltfeld Bestimmung der Leerlaufkennlinie Gleichstromerregung mit konzentrierter Erregerwicklung Gleichstromerregung mit verteilt angeordneter Erregerwicklung Mehrphasige Wechselstromerregung Sonderfälle der Erregung Einfluß der Belastungsströme auf das Feld der erregenden Wicklung Maschinen mit linearer Durchflutungsverteilung der Ankerwicklungen Maschinen mit konstantem Luftspalt und sinusförmiger Durchflutungsverteilung der Ankerwicklungen Maschinen mit nichtkonstantem Luftspalt und sinusförmiger Durchflutungsverteilung der Ankerwicklungen Streuung.' Aufteilung des Streufeids Definition von Teilstreufeidern Analytische Formulierung Prinzipielle Berechnung der Streuung 27! Prinzipielle Berechnung von Streufiüssen.., Prinzipielle Berechnung von Streuflußverkettungen Berechnung von Streuflüssen Nut-Zahnkopf-Streufluß Polstreufiuß ausgeprägter Pole Berechnung von Streuflußverkettungen Nut- und Zahnkopfstreuung Wicklungskopfstreuung Oberwellenstreuung Polstreuung Stromwendung.."" : Stromwendevorgang Prinzipieller Verlauf der Stromwendung Beanspruchung des Bürstenkontakts Prinzipielle analytische Behandlung der Stromwendung Maschengleichung 304, Wendezone Betrachtungen zur Lösung der Maschengleichung Praktische Berechnung der Stromwendung Verlauf der Ankerreaktanzspannung Mittlere Ankerreaktanzspannung Wendepolwicklung...*

5 10 Inhaltsverzeichnis 7.4. Möglichkeiten zur Beeinflussung der Stromwendung Einfluß der Bürsten Einfluß der Wicklungsauslegung und der Wendepolgestaltung Stromverdrängung Prinzipielle Abhängigkeiten der Stromverdrängung Bestimmung der prinzipiellen Abhängigkeiten Gesichtspunkte für die Wicklungsauslegung Abschnittsweise Berechnung der Stromverdrängung Einseitige Stromverdrängung Zweiseitige Stromverdrängung Definition von Parametern Analytisch geschlossene Berechnung der Stromverdrängung Grundgleichungen i, Massive Leiter Unterteilte Leiter Kunststäbe : Kommutatorwicklungen Verluste Verluste in den Stromkreisen Wicklungswiderstände Verluste in den Wicklungen Bürstenübergangsverluste Verluste im magnetischen Kreis Ummagnetisierungsverluste Verluste durch Oberwellen im Luftspaltfeld Mechanische Verluste Verluste durch Gas- und Lagerreibung Verluste durch Bürstenreibung Wirkungsgrad Kräfte Allgemeine Beziehungen zur Ermittlung der Kräfte Ermittlung der Kräfte auf stromdurchflossene Leiter, ausgehend von den Feldgrößen ' Ermittlung der Grenzflächenkräfte, ausgehend von den Feldgrößen Ermittlung der Kräfte aus der Induktivitätsänderung Kräfte auf in Nuten eingebettete Leiter Tangentiale Kräfte ' Radiale Kräfte Radiale Kräfte auf Blechpakete ~ Allgemeine Erscheinung 405

6 Inhaltsverzeichnis Wirkung des Grundwellenfelds Magnetischer Zug Drehkraftwellen eines Gemisches von Drehfeldern und deren Wirkung Axiale Kräfte auf den Läufer Allgemeine Erscheinungen Axiale Kräfte, herrührend vom Luftspaltfeld Axiale Kräfte, herrührend vom Streufeld des Wicklungskopfs Kräfte auf die Leiter im Wicklungskopf Allgemeine Erscheinungen und Beziehungen Kräfte zwischen parallelen Leiterabschnitten gleicher Länge Kräfte zwischen Leitern von Zweischichtwicklungen, die verschiedenen Schichten angehören Resultierende Kräfte auf die AbStützungen im Wicklungskopf Wärmeabführung Grundgleichungen Wärmetransport Kühlmittelbewegung Randbedingungen, Vereinfachte Differentialgleichungen der Wärmeleitung Ähnlichkeitstheorie Eigenschaften strömender Medien Technische Behandlung der Kühlungsvorgänge Hydraulisch passive Elemente (Kühlkanäle) Wärmeübergang Wärmeersatzschaltung Hydrodynamisch aktive Elemente (Lüfter) j Grundlegende Beschreibung der Strömung in Lüftern Lösungsmethoden für die Beschreibungsgleichungen der ebenen wirbelfreien Absolutströmung Bestimmung von Auslegungsparametern Strömungsverluste in Lüftern Induktivitäten und Reaktanzen Hauptinduktivitäten Hauptinduktivität einer Erregerwicklung Hauptinduktivität von Strangwicklungen Hauptreaktanzen von Strangwicklungen Hauptinduktivität einer Kommutatorwicklung 500 ' Berücksichtigung der Sättigung 501 Streuinduktivitäten und Streureaktanzen Streuinduktivitäten und Streureaktanzen von Strangwicklungen Streuinduktivität einer Erregerwicklung Charakteristische Induktivitäten und Reaktanzen r Induktivitäten und Reaktanzen der Synchronmaschine Induktivitäten und Reaktanzen der Asynchronmaschine 510

7 12 Inhaltsverzeichnis 13. Zeitkonstanten Eigenzeitkonstanten Eigenzeitkonstante einer Wicklung Eigenzeitkonstante eines massiven Eisenkreisabschnitts Zeitkonstanten eines Läufers Charakteristische Zeitkonstanten Zeitkonstanten von zwei miteinander verketteten Wicklungen Zeitkonstanten der Synchronmaschine Zeitkonstanten der Asynchronmaschine 519 HAUPTABSCHNITT C Entwurf rotierender elektrischer Maschinen Prinzipieller Entwurfsgang Entwurfsgleichung Herleitung der Entwurfsgleichung Maßgebende Entwurfsgrößen Ermittlung der Hauptabmessungen Entwurfsrichtwerte Geometrische Richtwerte Elektromagnetische Richtwerte Entwurf unter Berücksichtigung zusätzlicher Bedingungen Zusätzliche Bedingungen, die in die Entwurfsgieichung einführbar sind Mechanische Bedingungen Elektrische Bedingungen Zusätzliche Bedingungen, die nicht in die Entwurfsgleichung einführbar sind Vorgabe bestimmter Betriebseigenschaften ; Optimierung des Entwurfs Optimierung mit Hilfe elektronischer Rechenautomaten 551 HAUPTABSCHNITT D Entwurfs- und Berechnungsgänge der wichtigsten rotierenden elektrischen Maschinen Gleichstrommaschine Entwurfs- und Berechnungsgang Ermittlung der Hauptabmessungen Entwurf der Ankerwicklung Entwurf des Kommutators Entwurf des Magnetkreises Nachrechnung 564

8 Inhaltsverzeichnis Beispiele Entwurf Nachrechnung Kennwerte weiterer ausgeführter Maschinen Asynchronmaschine Entwurfs- und Berechnungsgang Ermittlung der Hauptabmessungen Entwurf der -Wicklungen Entwurf des Magnetkreises Nachrechnung Beispiele Entwurf Nachrechnung Kennwerte weiterer ausgeführter Maschinen Synchronmaschine Entwurfs- und Berechnungsgang Ermittlung der Hauptabmessungen Entwurf der Ankerwicklung Entwurf des Magnetkreises " Nachrechnung Beispiele Entwurf Nachrechnung : Kennwerte weiterer ausgeführter Maschinen Drehstromkommutatormaschine Bemerkungen zum Entwurfs- und Berechnungsgang von Drehstrom-Nebenschluß- Kommutatormaschinen, 609' Entwurf , Nachrechnung Beispiel einer läufergespeisten Drehstrorn-Nebenschluß-Kommutatormaschine Kennwerte und Abmessungen Wicklungen 613 ANHANG Magnetisierungskurven. 614 Literaturverzeichnis 615 Sachwörterverzeichnis 618 i