AT510678A1 - Wickelkopfabstützung für einen generator - Google Patents

Abstract

Den Gegenstand dieser Erfindung bildet eine Wickelkopfabstützung für den Rotor (1) eines elektrischen Generators mit zumindest einem Ring (4), der die Fliehkräfte der Wicklungen (3) im Wickelkopfbereich aufnimmt. Erfindungsgemäß ist der Ring (4) aus einem Verbundwerkstoff gefertigt, wobei diese Fertigung vor der Montage des Ringes (4) erfolgt. Den Gegenstand dieser Erfindung bildet auch ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung einer Wickelkopfabstützung für einen Generator.

Description

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Wickelkopfabstützung für einen Generator

Den Gegenstand dieser Erfindung bildet eine Wickelkopfabstützung für den Rotor eines elektrischen Generators mit zumindest einem Ring, der die Fliehkräfte der Wicklungen im Wickelkopfbereich aufnimmt.

Den Gegenstand dieser Erfindung bildet auch ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung einer Wickelkopfabstützung für einen Generator.

Bei elektrischen Generatoren, insbesondere bei Synchronmaschinen, müssen die Fliehkräfte der Rotorwicklungen aufgenommen werden, um eine unzulässige Verformungen der Wicklungen zu vermeiden. Dies geschieht im Rotorballenbereich über Nutkeile, die die Kräfte in den Rotorballen einleiten.

Die Fliehkräfte im Wickelkopfbereich werden in herkömmlichen Generatoren über Rotorkappen aus Stahl bzw. bei kleineren Maschinen über aufbandagierte Bänder aus Glas- oder Kohlefaserverbundwerkstoffen aufgenommen. Die auftretenden Fliehkräfte sind unter anderem von der Drehzahl des Rotors abhängig. Die Drehzahl wird dabei von der Polpaarzahl des Rotors und der geforderten Netzfrequenz bestimmt.

Abhängig vom Kühlkonzept kann die Stahlkappe auch die Funktion der Ventilation des Wickelkopfes übernehmen. Dies erfolgt dann über radiale Bohrungen in der Stahlkappe. Um Verluste sowie eine Erwärmung der Rotorkappe zu verhindern, müssen diese Rotorkappen außerdem aus unmagnetischem Material gefertigt werden.

Aufgrund der Forderung nach unmagnetischem Verhalten und den hohen geforderten Festigkeiten, werden diese Stahlkappen aus unmagnetischem kaltverfestigtem Austenit gefertigt. Dadurch verursachen allein die Materialkosten dieser Stahlkappen einen beträchtlichen Anteil an den Gesamtkosten. Zusätzlich bedingt das Bohren der Belüftungsbohrungen in die hochfeste Stahlkappe hohe Kosten. 1

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Bei kleineren Generatoren (bis ca. 9 MW) wird aktuell das Bandagendesign angewandt. Dabei werden Bandagen aus Glasfaserpolyesterharzverbund auf den Rotorwickelkopf gewickelt. Anschließend wird der Rotor in einem Ofen aufgeheizt, wobei das Matrixmaterial (z.B. Polyesterharz) zuerst flüssig wird und anschließend aushärtet und so die einzelnen Bandagen verbindet. Dadurch entsteht ein Ring aus Verbundmaterial. Um den dabei auftretenden Dickenverlust auszugleichen, müssen die Bandagen unter einer relativ hohen Vorspannung aufgewickelt werden. Außerdem verwendet man einen verlängerten Nutkeil, der einerseits die Bandagen axial fixiert und andererseits Druckspitzen von der Kupferwicklung aufnimmt ohne dass dabei die Bandagen beschädigt werden.

Da beim Bandagieren bereits eine Vorspannung in das Material eingebracht werden muss, um den Dickenverlust auszugleichen, steht nur noch die um diese Vorspannung verminderte Festigkeit der Bandage für die Aufnahme der Wickelkopffliehkräfte zur Verfügung. Gleichzeitig sind die maximale Höhe und damit der Querschnitt der Bandage über den Dickenverlust und die Vorspannung limitiert, sodass diese Designvariante nur bis zu begrenzten Fliehkräften anwendbar ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Wickelkopfabstützung bereitzustellen, die einerseits kostengünstig in der Herstellung und andererseits einfach in der Montage ist und trotzdem hohen Fliehkräften standhält.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Wickelkopfabstützung mit zumindest einem Ring aus Verbundwerkstoff, wobei der zumindest eine Ring vor seiner Montage am Wickelkopf gefertigt wird.

Anstatt also das Verbundmaterial auf dem Rotor zu wickeln und danach zu härten, wird der mehrphasige ausgehärtete Ring aus Verbundmaterialien hergestellt und anschließend auf den Rotor appliziert. Da der Ring nicht mehr auf dem Rotor hergestellt wird, kann dieser nahezu vorspannungsfrei gewickelt 2

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werden, sodass nahezu die gesamte Festigkeit des Ringes für die Aufnahme der Wickelkopfkräfte zur Verfügung steht.

Beim Wickeln der Ringe getrennt von der Maschine ist es möglich, den Effekt des Dickenverlustes zu optimieren und damit höhere Ringe mit großem Querschnitt zu fertigen. Damit ist die Möglichkeit gegeben, diese Ringe auch bei großen Maschinen, die derzeit noch mit teuren Stahlkappen gefertigt werden, einzusetzen.

Es ist vorteilhaft, wenn die Wickelkopfabstützung mehrere Ringe aus Verbundwerkstoff aufweist. Diese einzelnen Ringe können über Distanzstücke in axialer Richtung voneinander beabstandet sein. Die Kühlluft kann dann zwischen den einzelnen Ringen hindurchgeführt werden. Außerdem können die Distanzstücke in die Ringe integriert sein, woraus sich eine Reduktion der Fertigungskomplexität ergibt.

Wenn die gesamte Wickelkopfabstützung aus mehreren gleichen Ringen besteht, entsteht eine hohe Losgröße in der Fertigung, sodass daraus ein Serienprozess für die Ringfertigung entwickelt werden kann. Dadurch sinken die Kosten der einzelnen Ringe bei gleichzeitig höherer Prozesssicherheit.

Vorzugsweise ist zwischen dem zumindest einen Ring bzw. den Ringen und dem Wickelkopf ein mit Harz getränkter Filz oder ein filzähnliches Material angeordnet. Der Filz und das Imprägnierharz übernehmen die Funktion der Verbindung zwischen dem Ring bzw. den Ringen und den Wicklungen. Sie können aber auch mehrere Ringe untereinander verbinden.

Durch das Anbringen eines vorimprägnierten Filzes an der Innenseite der Ringe ist ein vereinfachter Herstellungsprozess ohne Ganztränkung des Rotors möglich.

Es ist günstig, wenn am Ring an seiner Innenseite eine druckspitzenbeständige Schicht angebracht ist, die eine höhere Druckspitzenbeständigkeit als der Verbundwerkstoff des Ringes aufweist. Diese Schicht besteht beispielsweise aus 3

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Hartgewebe und hat die Funktion, eine Beschädigung des Verbundwerkstoffes des Ringes durch Druckspitzen der Wicklungen zu verhindern, sowie im Fall eines elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoffes (z.B. Kohlefaser) eine elektrische Isolationsschicht zwischen Wicklung und Verbundwerkstoff herzustellen. Darüber hinaus können in diese Schicht Distanzstücke eingearbeitet sein, die eine axiale Distanzierung der einzelnen Ringe definieren.

Das Verbund material bzw. der Verbundwerkstoff ist vorzugsweise ein Glas-, Aramid- oder Kohlefaserverbund.

Gegenstand der Erfindung bildet auch ein Verfahren zur Herstellung einer Wickelkopfabstützung für einen Generator, wobei die Wickelkopfabstützung zumindest einen Ring aufweist. Erfindungsgemäß wird der zumindest eine Ring vor seiner Montage auf dem Rotor aus einem Verbundwerkstoff gefertigt.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn der zumindest eine Ring mit optimierter Vorspannung gefertigt wird, sodass nahezu die gesamte Festigkeit des Ringes für die Aufnahme der Wickelkopfkräfte zur Verfügung steht.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Wickelkopfabstützung anhand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht durch den Wickelkopf eines Generators;

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen einzelnen Ring.

In den einzelnen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils gleiche Bauteile.

In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen

Wickelkopfabstützung mit mehreren Ringen 4 aus Verbundwerkstoff dargestellt. Die einzelnen Wicklungen 3 des Rotors 1 verlaufen im Roterballen 5 in axialer Richtung und werden durch Nutkeile gegen die Fliehkräfte gesichert. Im Bereich des Wickelkopfes 2 werden die Wicklungen 3 in bekannter Weise umgelenkt. Die 4

A401201-AT • * · * * * · * v ·· * « einzelnen Wicklungen 3 liegen im vorliegenden Beispiel auf einer Wicklungsunterstützung 8 auf, die ihrerseits mit einer Rippe 6 der Rotorwelle verschweißt ist. Außerhalb des Wickelkopfes 2 befindet sich eine Endplatte 7.

Die Fliehkräfte im Wickelkopfbereich werden durch die Ringe 4 aufgenommen, im vorliegenden Beispiel sind insgesamt sieben Ringe 4 vorgesehen, wobei die jeweils außen liegenden Ringe 4 etwas breiter als die innen liegenden Ringe 4 ausgeführt sind. Die einzelnen Ringe 4 bestehen aus einem Verbundmaterial, beispielsweise aus Glasfasern oder Kohlefasern, die über ein Harz miteinander verbunden sind. Die Herstellung der Ringe 4 erfolgt einzeln in einem separaten Schritt vor der Montage der Ringe 4 auf dem Wickelkopf 2. Dabei werden beispielsweise einzelne Lagen von mit Harz imprägnierten Kohlefasem oder Glasfasern über eine entsprechende Form gewickelt und anschließend in einem Ofen ausgehärtet.

Zwischen den einzelnen Ringen 4 und den Wicklungen 3 ist einerseits ein mit Harz imprägnierter Filz 9 und andererseits eine druckspitzenbeständige Schicht 10 aus Hartgewebe angeordnet. Der Filz 9 sorgt einerseits für eine gute Verbindung der Ringe 4 untereinander und andererseits für eine gute Verbindung zwischen den Ringen 4 und dem Wickelkopf 2. Der Filz 9 kann im Bereich zwischen den einzelnen Ringen 4 Löcher aufweisen, sodass Kühlluft durch die Löcher und durch den Ringzwischenraum hindurchströmen kann. Das Hartgewebe besteht beispielsweise aus mehreren Lagen eines textilen Leinenoder Baumwollgewebes, das mit einem Duroplast Phenolharz verklebt wird.

Die druckspitzenbeständige Schicht 10 hat eine größere Druckspitzenbeständigkeit als der Verbundwerkstoff der Ringe 4. Diese Schicht 10 schützt also den Verbundwerkstoff der Ringe 4, der in der Regel zwar hohe Zugkräfte aufnehmen kann, jedoch empfindlich gegenüber Druckspitzen der Wicklungen ist.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen einzelnen Ring 4 aus Verbundwerkstoff. Man erkennt dabei gut die druckspitzenbeständige Schicht 10, die an der Ringinnenseite 13 angebracht ist und den Filz 9, der mit Harz 5

A401201-AT getränkt ist. Außerdem ist das Distanzstück 11 dargestellt, das für eine axiale Beabstandung der einzelnen Ringe 4 untereinander sorgt. Das Distanzstück 11 ist hier direkt in die druckspitzenbeständige Schicht 10 eingearbeitet.

Die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen stellen lediglich eine bevorzugte Ausführung der Erfindung dar. Die Erfindung umfasst auch andere Ausführungsformen, bei denen beispielsweise nur ein Ring 4 aus Verbundmaterial verwendet wird. 6

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Claims (8)

1. Patentansprüche 1. Wickelkopfabstützung für den Rotor (1) eines elektrischen Generators mit zumindest einem Ring (4), der die Fliehkräfte der Wicklungen (3) im 5 Wickelkopfbereich aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (4) aus einem Verbundwerkstoff gefertigt ist und dass diese Fertigung vor der Montage des Ringes (4) erfolgt ist.
2. 2. Wickelkopfabstützung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 10 die Wickelkopfabstützung mehrere Ringe (4) aus Verbundwerkstoff aufweist.
3. 3. Wickelkopfabstützung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Ringe (4) über Distanzstücke (11) voneinander beabstandet sind.
4. 4. Wickelkopfanstützung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zumindest einen Ring (4) und dem Wickelkopf (2) ein mit Flarz getränkter Filz (9) angeordnet ist.
5. 5. Wickelkopfabstützung nach einem der vorangegangenen Ansprüchen 1 20 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass am zumindest einen Ring (4) an seiner Innenseite (13) eine druckspitzenbeständige Schicht (10) angebracht ist, die eine höher Druckspitzenbeständigkeit als der Verbundwerkstoff des Ringes (4) aufweist.
6. 6. Wickelkopfabstützung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundwerkstoff ein Glas-, Aramid-oder Kohlefaserverbund ist.
7. 7. Verfahren zur Herstellung einer Wickelkopfabstützung für einen 30 Generator, wobei die Wickelkopfabstützung zumindest einen Ring (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Ring (4) vor seiner Montage auf dem Rotor (1) aus einem Verbundwerkstoff gefertigt wird. 7 A401201-AT
8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Ring (4) zumindest partiell nahezu vorspannungsfrei gefertigt wird, sodass nahezu die gesamte Festigkeit des Ringes (4) für die Aufnahme der Wickelkopfkräfte zur Verfügung steht. A401201-AT