Dynamomaschine. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dynamomaschine und besitzt in den Turbo- Weehselstromgeneratoren grosser Leistung ein bedeutendes Anwendungsgebiet.
Die Maximalleistung solcher Maschinen wird durch eine Reihe Faktoren begrenzt, von denen der wichtigste die zulässige Temperatur erhöhung ist, die von der Geschwindigkeit des Abflusses der in der Maschine entstehenden Wärme abhängt.
LUblieherweise erfolgt die Kühliinb solcher Maschinen durch Umwälzung von Gas, meist Luft oder Wasserstoff, in der Maschine. Dieses Kühlverfahren ist wirksam, soweit es das Ab führen der Wärme von den Oberflächen des Magnetteils und von den freien Enden der Wicklung betrifft, die eingebetteten Teile der Wicklung jedoch sind für die Wärmeabfüh rung auf die Wärmeleitung bis zu solchen Oberflächen oder freien Enden angewiesen.
Das Hauptziel dieser Erfindung ist., die Kühlung der Statorwicklung zu verbessern. Gemäss der vorliegenden Erfindung wer den die elektrischen Leiter des Stators einer Dynamomaschine in ihrer Längsrichtung mit Kanälen versehen und Mittel vorgesehen, um durch diese Kanäle zum Zweck der Kühlung ein Kühlmittel zu leiten. Als solche sind ver wendbar gasförmige Stoffe wie Luft oder Wasserstoff und leicht verdampfende Flüssig keiten wie Freon oder Tetraehlorkohlenst.off.
Die elektrischen Leiter können Metallstäbe sein, die durch isolierende Abstandsstücke auseinandergehalten werden, die selbst wie derum seitlichen Abstand voneinander be sitzen, so dass längsverlaufende Kühlkanäle entstehen.
Die Zeichnung veranschaulicht Ausfüh rungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes. Es zeigen: - Fig.1 bis 4 die Ansicht von Statorkanälen im Schnitt mit verschiedenen beispielsweise gewählten Formen von Leitern, Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine Ma schine, in der der Stator für Kühlung durch Flüssigkeit eingerichtet ist, Fig. 6 in vergrössertem Massstab eine wei terentwickelte Ausführung der Anordnung nach Fig.2,
die in Zusammenhang mit der Konstruktion nach Fig. 5 verwendet -werden kann, Fig. 7 und 8 Teilansichten, die darstellen, wie die Leiterenden verbunden werden kön nen, wenn eine Wicklung nach Fig. 6 benutzt wird, .
Fig. 7 die Schnitte nach den Ebenen A-A und B -B in Fig. 8, Fig. B eine Ansicht in derselben Schnitt ebene wie in Fig.5, aber in vergrössertem Massstab.
Da die Unterteilung des Leiters beim Fuss der Nut weniger notwendig ist als beim Kopf derselben, wird in der Anordnung nach Fig.1 der untere Leiter durch einen einzigen hohlen Leiter 1 von rechteckigem Querschnitt gebil det, während der obere Leiter zwei hohle rechteckige Leiter 2 geringerer Grösse und eine Anzahl quadratischer Hohlleiter 3 von kleiner Dimension aufweist, wobei die Kühlgase durch die Kanäle im Innern all dieser Leiter ge trieben werden, die in der üblichen Weise in den Nuten isoliert angeordnet sind.
-In, einer Anordnung dieser Art ist :das Kühlgas in direkte Verbindung mit den elek trischen Leitern gebracht und dadurch wird eine sehr wirksame Kühlung erreicht.
Fig.2 zeigt eine andere Anordnung, in der die Leiter im untern Teil der Nut aus rechteckigen Metallstäben 5 bestehen, die durch isolierende Distanzstücke voneinander getrennt sind, um Kanäle für den Durchfluss der Gase zu bilden, während die Leiter im obern Teil der Nut aus drei Paaren von Metallstäben 8 bestehen, die in ähnlicher Weise paarweise durch Isolationsstücke von einander distanziert sind, um Kanäle frei zu lassen.
Manchmal kann es aus mechanischen Gründen zweckmässig ;sein, ein zusätzliches mittleres Distanzstück 10 zwischen den beiden obersten Streifenpaaren des obern Leiters vor zusehen, wie das gestrichelt gezeichnet ist.
In dieser Anordnung können die einzelnen Stabpaare 8 oder die Metallstäbe 5 quer zur Nut in der üblichen Weise unterteilt sein, während das Kreuzen je Paar am Ende der Nutenleiter durch geeignete Verbindungen be werkstelligt werden kann.
Fig. 3 und 4 zeigen weitere Formen von Leitern, wie sie benutzt werden können, um geeignete Kanäle für den Durchfluss der Kühlgase durch die Nuten zu bilden.
Fig. 3 zeigt dabei eine Anordnung, in der zur Bildung des untern Leiters zwei U-för- mige Leiter 11 so aneinandergesetzt sind, dass sie einen Kühlkanal zwischen sich bilden, während zwei T-förmige Leiter 12 zur Bil dung der obern Leiter, wie gezeigt, so ange ordnet sind, dass sie zwischen der Mittel rippe und der die Seiten der Nut bedeckenden Isolation Kühlkanäle bilden.
Fig. 4 zeigt zwei V-förmige Leiter 13 zur Bildung des untern Leiters und zwei 'U-för- mige Leiter 14 zur Bildung des obern Leiters der Nut. Beim untern Leiter bestehen zwi- sehen Leiter und Isolator vier parallele Ka näle, während im obern Leiter ein mittlerer Kanal entsteht. Wenn zur Herabsetzung der Wirbelströme eine weitere Unterteilung der Leiter erforderlich ist, kann jeder einzelne Leiter weiter unterteilt werden, wie das z. B.
für den obern Leiter in Fig. 3 _ gestrichelt angedeutet ist, so dass eine Anzahl getrenn ter, voneinander zu isolierender Teilleiter ent stehen, die an den Enden der Nuten durch geeignete Querverbindungen verkreuzt werden können.
Fig.5 zeigt, wie solcher Leiter in einem Turbo-Wechselstro@mgenerator angeordnet wer den können. In der Figur kennzeichnen die Überweisungsziffer 15 den Statorkern und 16 den untern Teil des Statorgehäuses, wäh rend 17 ein Teil des *Rotors ist. Ein dünner,
nichtmetallischer Zylinder 18 erstreckt sich durch den ringförmigen Luftspalt zwischen Rotorumfang und Stator. - In dieser Anord nung sind obere und untere Leiter als Ein zelleiter mit rechteckigem Querschnitt von der gleichen Art wie der untere Leiter 1 in Fig. 1 gezeichnet und als 19 und 20 gekennzeichnet.
Aus einer Zuführungskammer 21, die sich rings um den Statorkern erstreckt und an eine Zuleitung 22 angeschlossen ist, wird an der rechten Seite des Leiters 19 diesen eine Kühlflüssigkeit zugeführt. Die Enden der Lei ter 19 und 20 sind durch eine Metallverbin dung 23 elektrisch miteinander verbunden, während der Kanal durch den obern Leiter 19 über eine isolierende Hülse 24, die in eine Öffnung in einer isolierenden Platte 25 ein gepasst ist, mit der Kammer 21 verbunden ist.
Die Flüssigkeit aus der Kammer 21 strömt durch den Kanal im Leiter 19 nach links und fliesst am linken Ende des, Stators aus dem Leiter 19 in die Kammer 26'.
In ähnlicher Weise sind auf der -linken Seite der Maschine die beiden Leiter durch die Metallverbindung 23' elektrisch mitein ander verknüpft, während in diesem Falle der untere Leiter 20 über eine Isolationshülse 24', die in eine Isolationsplatte 25' eingepasst ist, mit der Zuführungskammer 21 in Ver bindung steht. Während also der Flüssigkeits- strom im obern Leiter 19 von rechts nach links geht, erfolgt der Durchfluss durch den untern Leiter 20 von links nach rechts. Aus dem Leiter 20 tritt die Flüssigkeit, wie in Fig. 5 ersichtlich ist, in die Kammer 26.
In der Anordnung nach Fig.5 ist eine zusätzliche Flüssigkeitskühlung für den Sta- torkern durch axial verlaufende Kanäle 27 geschaffen, die an ihren Enden von den Zu führungskammern 2828' beliefert werden. Die Axialkanäle 27 liefern die Kühlflüssigkeit in die Radiallianäle 29. In der dargestellten Anordnung wird aus dem Kanal 27 jeder zweite Kernkanal 29 beliefert und diese wie derum beliefern die sie kreuzenden Kern kanäle durch die Kanäle 30a.
Die Durchströmrichtung ist durch Pfeile angegeben und die verdampfte Kühlflüssig keit tritt schliesslich durch den Auslass 16A, der sich am Boden des Gehäuses befindet. Bei dieser Anordnung ist der Rotor gasgekühlt, z. B. mit Wasserstoff, und, um die Kühlein richtung -des Stators mit der Kühlflüssigkeit von der Kühleinrichtung des Rotors mit dem Kühlgas zu trennen, ist die Trennwand 18 vorgesehen.
Wenn auch der Stator gasgekühlt ist, kann die Trennwand 18 weggelassen werden, so dass das Gas, das durch die hohlen Leiter in die Räume 26 und 26' tritt, sich mit dem Gas aus der Kühleinrichtung im Rotor mischen und durch einen Kühlapparat strömen kann, be vor es wieder in Umlauf versetzt wird.
Fig. 6 zeigt eine Anordnung, in der die Leiter aus parallelen Metallstäben geformt sind, entsprechend dein untern Leiter in Fig. 2. In dieser Anordnung besitzen der obere und der untere Leiter je acht Stabpaare. Der obere und untere Stab 30 bzw. 31 (Fig.6) jedes Stabpaares sind durch isolierende Distanz stücke 32 voneinander getrennt. Die Distanz stücke 32 befinden sich in solchem seitlichem Abstand voneinander, dass zwischen je zwei Leiterstäben 30 und 31 und den zugehörigen isolierenden Distanzstücken 32 ein Kühlkanal 33 gebildet wird.
Jede so geformte Gruppe ist von der nächsten Gruppe durch ein Isolier- stück. 34 getrennt. Während die Gruppen, die die obern Leiter bilden, von der Isolierung 35 umhüllt sind und der untere Leiter von der Isolierung 36 umhüllt wird, sind die beiden Leiter durch ein Distanzstück 37 voneinander getrennt und der Nutenkeil 38 hält beide Lei ter in der Nut.
Fig. 8 zeigt die Anordnung am einen Ende einer solchen Statorwicklung, in der die Hälfte der Leiterkanäle aus dem Raume 21 mit Kühl mittel beliefert wird und der Austritt aus den Kanälen auf der entgegengesetzten Seite der Maschine erfolgt. Der Rest der Leiterkanäle , wird von der entgegengesetzten Seite der Maschine beliefert und der Austritt erfolgt in den Raum 26. Die Verbindungen zwischen den Leiterkanälen und den Kühlmitteleinlass- räumen 21 und 21' erfolgt über rechteckige, Isolationsrohre 24.
Und zwar verbindet nach Fig. 8 ein solches Isolationsrohr ein über die andere Gruppe von Stäben mit einer Isolier- plätte 25, wobei das Rohr 24 sich durch die Platte 25 hindurch in den Raum 21 erstreckt. Eine entsprechende Anordnung ist am ent gegengesetzten Ende der Maschine vorzusehen, wobei die Verbindungen die übrigen Gruppen von Stäben erfassen und die Rohre sich bis in den RaLun 21' erstrecken.
Fig. 7A und 7B zeigen, wie die elektrischen Verbindungsstücke 23A und 23B der Fig.8 zum Kreuzen der Leitergruppen angeordnet werden können. Ein Kreuzen der obern und der untern Leiter jedes Leiterpaares kann na türlich in der Nut ausgeführt werden.
Natürlich müssen entsprechende Mittel vorgesehen werden, um das Kühlmittel in Um lauf zu versetzen. Bei einer Kühlflüssigkeit erfordert das eine PLunpe; bei Gaskühlung genügt ein zusätzlicher Ventilator, der direkt auf der Rotorwelle angebracht werden kann und von dem das austretende Gas in geeig neter Weise zu den Enden der elektrischen Leiter geführt wird.
Wenn das Kühlmittel in einem in sich geschlossenen Kreis geführt wird, ist ausser halb der Maschine natürlich ein Wärmeaus täuscher erforderlich, durch den das Kühl mittel nach dem Durchgang durch die Ma schine hindurchgeführt werden muss. Dies gilt insbesondere bei Verwenden von Wasserstoff, da in diesem Falle der Kühlmittelkreislaiif sorgfältig nach aussen abgedichtet sein muss.
Auch - bei Flüssigkeitskühlung kann das Kühlmittel aus der Maschine herausgeführt und nach dem Kühlen desselben wieder in die Maschine eingeführt werden.
Dynamo machine. The present invention relates to a dynamo machine and has an important field of application in high-power turbocharged alternators.
The maximum output of such machines is limited by a number of factors, the most important of which is the allowable temperature increase, which depends on the rate of discharge of the heat generated in the machine.
Such machines are usually cooled by circulating gas, usually air or hydrogen, in the machine. This cooling method is effective insofar as it concerns the removal of heat from the surfaces of the magnet part and from the free ends of the winding, but the embedded parts of the winding are dependent on heat conduction to such surfaces or free ends for heat dissipation.
The main aim of this invention is to improve the cooling of the stator winding. According to the present invention, the electrical conductors of the stator of a dynamo machine are provided with channels in their longitudinal direction and means are provided to guide a coolant through these channels for the purpose of cooling. As such, gaseous substances such as air or hydrogen and easily evaporating liquids such as Freon or Tetraehlorkohlenst.off can be used.
The electrical conductors can be metal rods that are held apart by insulating spacers, which themselves sit laterally spaced from each other, so that longitudinal cooling channels are created.
The drawing illustrates Ausfüh approximately examples of the subject matter of the invention. 1 to 4 show a sectional view of stator ducts with different shapes of conductors selected, for example, FIG. 5 shows a longitudinal section through a machine in which the stator is set up for cooling by liquid, FIG. 6 on an enlarged scale a further developed version of the arrangement according to Figure 2,
which can be used in connection with the construction of Fig. 5, Figs. 7 and 8 are partial views showing how the conductor ends can be connected when a winding of Fig. 6 is used.
7 shows the sections according to planes A-A and B-B in FIG. 8, FIG. B shows a view in the same sectional plane as in FIG. 5, but on an enlarged scale.
Since the subdivision of the conductor at the foot of the groove is less necessary than at the head of the same, in the arrangement according to Figure 1 the lower conductor is gebil det by a single hollow conductor 1 of rectangular cross-section, while the upper conductor has two hollow rectangular conductors 2 smaller Size and a number of square waveguides 3 of small dimensions, the cooling gases being driven through the channels inside all these conductors, which are arranged isolated in the usual manner in the grooves.
-In, an arrangement of this type is: the cooling gas is brought into direct contact with the elec tric conductors and thereby a very effective cooling is achieved.
2 shows another arrangement in which the conductors in the lower part of the groove consist of rectangular metal rods 5, which are separated from one another by insulating spacers in order to form channels for the passage of the gases, while the conductors in the upper part of the groove There are three pairs of metal rods 8, which are similarly spaced in pairs by insulating pieces from one another in order to leave channels free.
Sometimes it can be useful for mechanical reasons to provide an additional central spacer 10 between the two uppermost pairs of strips of the upper conductor, as shown in dashed lines.
In this arrangement, the individual pairs of rods 8 or the metal rods 5 can be divided transversely to the groove in the usual manner, while the crossing of each pair at the end of the groove ladder can be accomplished by suitable connections.
3 and 4 show further forms of conductors as they can be used to form suitable channels for the flow of cooling gases through the grooves.
3 shows an arrangement in which, to form the lower conductor, two U-shaped conductors 11 are attached to one another in such a way that they form a cooling channel between them, while two T-shaped conductors 12 to form the upper conductor, such as shown, are arranged so that they form between the central rib and the insulation covering the sides of the groove cooling channels.
4 shows two V-shaped conductors 13 for forming the lower conductor and two U-shaped conductors 14 for forming the upper conductor of the groove. In the lower conductor there are four parallel channels between the conductor and the insulator, while in the upper conductor a central channel is created. If a further subdivision of the conductors is required to reduce the eddy currents, each individual conductor can be further subdivided, such as the z. B.
for the upper conductor in Fig. 3 _ is indicated by dashed lines, so that a number of separated, mutually insulated sub-conductors are ent, which can be crossed at the ends of the grooves by suitable cross connections.
5 shows how such a conductor can be arranged in a turbo-alternating current generator. In the figure, the transfer number 15 denotes the stator core and 16 the lower part of the stator housing, while 17 rend part of the * rotor. A thin one
Non-metallic cylinder 18 extends through the annular air gap between the rotor circumference and the stator. - In this arrangement, the upper and lower conductors are drawn as a single conductor with a rectangular cross-section of the same type as the lower conductor 1 in FIG. 1 and identified as 19 and 20.
From a feed chamber 21, which extends around the stator core and is connected to a feed line 22, a cooling liquid is fed to the conductor 19 on the right-hand side thereof. The ends of the conductors 19 and 20 are electrically connected to one another by a metal connection 23, while the channel through the upper conductor 19 is connected to the chamber 21 via an insulating sleeve 24 which is fitted into an opening in an insulating plate 25 is.
The liquid from the chamber 21 flows through the channel in the conductor 19 to the left and flows at the left end of the stator from the conductor 19 into the chamber 26 '.
Similarly, on the left side of the machine, the two conductors are electrically connected to each other by the metal connection 23 ', while in this case the lower conductor 20 is connected to the supply chamber via an insulating sleeve 24' which is fitted into an insulating plate 25 ' 21 is related. While the flow of liquid in the upper conductor 19 goes from right to left, the flow through the lower conductor 20 takes place from left to right. As can be seen in FIG. 5, the liquid passes from the conductor 20 into the chamber 26.
In the arrangement according to FIG. 5, an additional liquid cooling for the stator core is created by axially extending channels 27, which are supplied at their ends by the supply chambers 2828 '. The axial channels 27 supply the cooling liquid into the radial channels 29. In the arrangement shown, every second core channel 29 is supplied from the channel 27 and these in turn supply the core channels crossing them through the channels 30a.
The direction of flow is indicated by arrows and the evaporated cooling liquid finally passes through the outlet 16A, which is located on the bottom of the housing. In this arrangement the rotor is gas-cooled, e.g. B. with hydrogen, and in order to separate the cooling device of the stator with the cooling liquid from the cooling device of the rotor with the cooling gas, the partition 18 is provided.
If the stator is also gas-cooled, the partition wall 18 can be omitted so that the gas which passes through the hollow conductors into the spaces 26 and 26 'can mix with the gas from the cooling device in the rotor and flow through a cooling apparatus, before it is put back into circulation.
Fig. 6 shows an arrangement in which the conductors are formed from parallel metal rods, corresponding to the lower conductor in Fig. 2. In this arrangement, the upper and lower conductors each have eight pairs of rods. The upper and lower rod 30 and 31 (Figure 6) of each pair of rods are separated by insulating spacers 32 pieces. The spacers 32 are located at such a lateral distance from each other that a cooling channel 33 is formed between two conductor bars 30 and 31 and the associated insulating spacers 32.
Each group formed in this way is separated from the next group by an insulating piece. 34 separated. While the groups that form the upper conductor are covered by the insulation 35 and the lower conductor is covered by the insulation 36, the two conductors are separated by a spacer 37 and the slot wedge 38 holds both Lei ter in the slot.
Fig. 8 shows the arrangement at one end of such a stator winding, in which half of the conductor channels from the space 21 is supplied with coolant and the exit from the channels takes place on the opposite side of the machine. The remainder of the conductor ducts are supplied from the opposite side of the machine and the outlet takes place in space 26. The connections between the conductor ducts and the coolant inlet spaces 21 and 21 ′ are made via rectangular insulation pipes 24.
In fact, according to FIG. 8, such an insulation tube connects one group of rods to an insulation plate 25 via the other group, the tube 24 extending through the plate 25 into the space 21. A corresponding arrangement is to be provided at the opposite end of the machine, whereby the connections encompass the remaining groups of bars and the tubes extend into the rail 21 '.
Figures 7A and 7B show how the electrical connectors 23A and 23B of Figure 8 can be arranged to cross the conductor groups. A crossing of the upper and lower conductors of each pair of conductors can of course be carried out in the groove.
Of course, appropriate means must be provided in order to put the coolant in order. With a coolant, this requires a PLunpe; in the case of gas cooling, an additional fan is sufficient, which can be attached directly to the rotor shaft and from which the escaping gas is guided in a suitable manner to the ends of the electrical conductors.
If the coolant is routed in a closed circuit, a heat exchanger is of course required outside the machine, through which the coolant must be passed through the machine after it has passed through. This applies in particular when using hydrogen, since in this case the coolant circuit must be carefully sealed off from the outside.
Also - with liquid cooling, the coolant can be led out of the machine and then reintroduced into the machine after cooling.