Elektrische <B>Maschine, insbesondere Generator hoher Tourenzahl.</B> Bei elektrischen Maschinen, wie Genera toren hoher Drehzahl, sind. insbesondere bei Anwendung der Luftkühlung die Luftrei bungsverluste im Verhältnis zu den Gesamt verlusten anteilmässig hoch. Um diesem Nach teil zu entgegnen., wurde für die Kühlung elektrischer Maschinen Wasserstoff an Stelle von Luft verwendet, da dieser nicht nur den Vorteil der geringeren Reibungsverluste hat, sondern auch eine günstigere Wärme ableitung ermöglicht.
Bei diesen wasserstoff gekühlten Maschinen erfolgt die Umwälzung des Wasserstoffes unter geringem über druck, der je nach der Belastung der Ma schine verändert werden kann. Für die er forderliche Abdichtung nach. aussen müssen entsprechende Sondermassnahmen getroffen werden. Die Verwendung von Wasserstoff zur Kühlung elektrischer Maschinen hat Vor teile zur Folge, die es gestatten, entweder die Abmessungen der Maschine zu verkleinern oder deren Leistungsfähigkeit zu erhöhen.
Die Erfindung betrifft eine weitere Ver besserung elektrischer Maschinen hinsichtlich ihrer Reibungsverluste. Sie geht dabei eben falls von der an sich bekannten Erkenntnis aus, dass der Wirkungsgrad einer elektrischen Maschine hoher Tourenzahl um so grösser wird, je kleiner die bei der Rotation des Läufers entstehende Oberflächenreibung des Läufers ist.
Zur Herabsetzung der bei der Rotation des Läufers auftretenden Reibungsverluste wird erfindungsgemäss der Läuferraum gegenüber dem Ständer- und dem äussern Luftraum. gas dicht abgeschlossen und mit Unterdruck be trieben. So kann beispielsweise der gasdicht abgeschlossene Läuferraum mittels einer Va kuumpumpe unter Vakuum gehalten werden. Es ist fernerhin auch denkbar, in dem Läufer- raun ein gasförmiges Medium geringer Zähig keit einzuführen.
Die durch den Strom in der Erregerwicklung auftretende und die eventuell noch in geringem Masse von der Gasreibung herrührende Wärme kann, soweit deren Ableitung nicht bereits durch Strah lung erfolgt, durch Innenkühlung des Läu fers bzw. direkte Kühlung des. Rotorkupfers mittels eines in den einen Wellenstumpf ein und abgeführten flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels bewirkt werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass der gegenüber dem äussern Luftraum und dem Läüferräum abgeschlossene @Ständerraum als Kühlmittel ein gasförmiges Medium. enthält,. das "unter Überdruck steht und mittels Ventilatoren um gewälzt und, mittels Wäxmeaustauscher .ge kühlt wird. Der vom Gasstrom des Ständer raumes durchflutete Wärmeaustauscher kann fernerhin, um diesen in seinen Abmessungen möglichst klein zu halten, von einer Kühl flüssigkeit durchströmt werden.
Durch die abgeschlossene Ausbildung eines Läuferraumes wird zufolge des geringen Gas druckes eine wesentliche Verringerung der bei der Rotation des Läufers entstehenden Reibung erreicht. Im Falle eines Vakuums im Läuferraum ist es sogar denkbar, die Ober- flächenreibung des Läufers praktisch auf den Wert Null zu bringen. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung wird noch dadurch er reicht, dass auf die bisher üblichen Rotor lüfter verzichtet werden kann.
Die mit Kühlgas und Überdruck betrie bene Ständerkühlung gewährleistet ferner im Zusammenhang mit der getrennt von dem Ständerraum vorgesehenen Raum- und Kühl anordnung des Läufers eine weitere Verbes serung elektrischer Maschinen hoher Dreh zahl. Durch die Erfindung können demnach die aktiven Abmessungen noch weiter verklei nert bzw. der Wirkungsgrad noch weiter er höht werden, als es bei den bisher bekannten elektrischen, gasgekühlten Maschinen der Fall war.
In der Zeichnung ist als Ausführungsbei spiel der Erfindung ein Generator in Fig.1 teilweise im AYialschnitt und in Fig.2 im Querschnitt senkrecht zur Achse nach den Linien<B>A -A</B> und B -B der Fig.1 darge stellt.
Das Gehäuse des Generators ist in zwei gasdicht voneinander getrennte Räume, iund zwar in einen Läuferraum 1 und in einen Ständerraum 2 unterteilt. Der Zylinderform aufweisende, von zwei Isolierzylindern<B>19,20</B> und den Innenflächen des Ständereisens 11 gebildete Raum 1 enthält den Läufer 3, des sen Wellenenden 4, 5 über Gasabdichtungen 6, 7, beispielsweise Flüssigkeitsdichtungen, .nach aussen geführt sind.
Das Wellenende 5 ist weiterhin für die Innenkühlung des Läu fers mit einem Rohranschluss @8 für die Zu- führung und mit einem Rohranschluss 9 für die Abführung des Kühlmittels, das ein flüs siges oder gasförmiges Medium sein kann, versehen. Hierbei sind die beiden Rohrleitun gen 8 und 9 konzentrisch zueinander ange ordnet. Der Läuferraum 1 ist über eine Rohr leitung 10 mit einer Vakunxnpumpe 18 ver bunden, die den Läuferraum 1 unter Vakuum hält.
Im Läufer 3 befindet sich, wie aus den Figuren ersichtlich ist, am Rotorumfang je weils zwischen zwei vom Leiterkupfer ausge füllten Nuten 21 eine vom flüssigen Kühl mittel durchströmte Nut .;22, der an einem Mmehinenende das Kühlmittel durch eine ra diale Bohrung von der Welle her zugeführt und am andern Maschinenende ebenfalls durch eine radiale Bohrung zur Welle hin entnommen wird (s. F'ig. 2).
In dem unter Überdruck stehenden Stän- derraum 2 sind das Ständerblechpaket 11 und die Wicklungen 12 angeordnet. Zwei gegen überliegende Seiten des Statorraumes 2 sind mit je einem aussenliegenden Kühlrohrsystem 13, 13' verbunden, von denen jedes einen fremd angetriebenen Ventilator 14 bzw. 14' und einen Wärmeaustauscher 137 bzw.
15' auf- weist. Den beiden Wärmeaustauschern <B>15,</B> , 15' wird weiterhin noch über die Zuführungs- und Abführungsrohre 16, 17 bzw. 16', 17' ein besonderes Kühlmittel, beispielsweise eine Kühlflüssigkeit, zugeführt.
Bei in Betrieb befindlichem Generator wird die ebenfalls in Tätigkeit gesetzte Va kuumpumpe 18 ein Vakuum in dem Läufer raum 1 erzeugen und aufrechterhalten. Zu folge dieses Vakuums wird die Oberflächen reibung in dem Läufer 3 sehr niedrig ge halten. -Die eventuell noch in geringem Masse auftretende Wärme wird hierbei zum Teil durch Strahlung und zum Teil durch das in den Läufer 3 eingeführte Kühlmittel ab geleitet. Auch bei Verwendung eines gasför migen Mediums geringen Druckes in dem Läuferraum werden nur geringe Reibungs verluste auftreten.
Aus der Fig. 2 ist die Führung des Kühl gases in den im Nutengrund gelegenen Kühl kanälen 23 im Ständer 11 ersichtlich. Je weils zwei am Statorumfang nebeneinander liegende Kühlkanäle werden in entgegenge setzter Richtung vom Kühlgas durchströmt.
Zu diesem Zweck befindet sich an jeder Stirnseite des .Ständerraumes je ein ringför miger Druckraum 2a, in dem das Kühlgas durch den Ventilator 14 bzw. 14' hineinge- presst wird und je ein weiterer ringförmiger! Raum 2b, aus dem das Kühlgas durch den Ventilator 14, 14' abgesaugt wird (Fig.1).
Die Enden der im .Statorblechpaket lie genden Kühlkanäle sind abwechselnd nach dem rechten und linken Druckraum 2a hin geöffnet, so dass das Kühlgas an diesen Stellen in die Kanäle eintreten kann. Die entgegen gesetzten Enden der Kühlkanäle, aus denen das Gas abströmt, sind durch entsprechende Rohrverbindungen oder dergleichen jeweils mit einem der Räume 2b verbunden.
Auf diese Weise ist erreicht, dass die .Strömungs- richtung der Kühlströme abwechselnd in den Kühlkanälen des Statorblechpaketes entgegen gesetzt gerichtet ist. Eine intensive Kühlung wird dadurch herbeigeführt, dass den Wärme- austauschern 15, 15' über die Rohre 16, 17 bzw. 16', 17' eine Kühlflüssigkeit zufliesst.
Durch diese Flüssigkeitskühlung der Wärme- austauscher 1'5, 15' ist es möglich, diese in ihren Abmessungen klein zu halten. Der Gas druck im -Ständerraum ist mindestens so hoch gehalten, dass sich eine in bezug auf die Hochspannungswicklung günstige Isolations festigkeit neben einer günstigen Konvektions- ziffer des Kühlgases ergibt.
Beispielsweise wird bei einem Überdruck von 2 atü die Konvektionsziffer etwa '21/2mal und die Iso lationsfestigkeit nahezu 3mal so gross als bei Normaldruck. Der Gasdruck im Kühlkreis- lauf des Ständers wird dadurch aufrecht erhalten, dass bei Absinken des Druckes un ter dem Sollwert dem Kühlkreislauf Frisch gas unter entsprechendem Überdruck zuge führt wird.
Die Erfindung erstreckt sich nicht nur auf die in der Zeichnung dargestellte Aus führungsform. Es sind auch andere im Rah men der Erfindung liegende Anordnungen hinsichtlich der Ausbildung des iStator- und Läuferraumes und der Kühlsysteme für den Läufer und Stator denkbar. .So können bei. spielsweise die Statorkühlsysteme auch inner halb des Maschinengehäuses eingebaut wer den.
Ebenso bestehen für die Kühlung des Rotors auch andere technische Möglichkeiten, beispielsweise, dass das Kühlmittel auf der einen :Seite des Läufers eingeführt und von der andern Seite wieder abgeführt wird. Auch für die Vakuumbildung des Läuferraumes ist die Absaugung des gasförmigen Mediums von beiden - Seiten möglich,
sowie auch ein Anschluss an den Vakuumraum des Konden- sators der Dampfturbine denkbar. Weiterhin können, falls der Läuferraum ein gasförmi ges Medium enthält, für die Aufrechterhal tung des Unterdruckes und der Reinheit des Gases entsprechende, für sich bekannte Ein richtungen verwendet werden.
Für die Ab dichtung von Gasräumen elektrischer Maschi nen wurden bereits ebenfalls verschiedene Ab- dichtungsanordnungen, beispielsweise unter Verwendung von Flüssigkeiten, wie Öl und dergleichen, vorgeschlagen, die auch sinnge mäss für die gasdichte Durchführung der Wellen aus dem Läuferraum der erfindungs gemässen Maschine Anwendung finden kön nen.
Electric machine, especially generator with high speed. </B> In electric machines, such as generators with high speed,. Especially when using air cooling, the air friction losses are proportionally high in relation to the total losses. In order to counter this disadvantage, hydrogen was used instead of air to cool electrical machines, as this not only has the advantage of lower friction losses, but also enables more favorable heat dissipation.
In these hydrogen-cooled machines, the hydrogen is circulated under a slight excess pressure, which can be changed depending on the machine's load. For the required sealing after. Appropriate special measures must be taken outside. The use of hydrogen to cool electrical machines has advantages that allow either the dimensions of the machine to be reduced or its performance to be increased.
The invention relates to a further Ver improvement of electrical machines with regard to their friction losses. It is also based on the knowledge known per se that the efficiency of an electrical machine with a high number of revolutions is greater, the smaller the surface friction of the rotor that occurs when the rotor rotates.
In order to reduce the friction losses occurring during the rotation of the rotor, according to the invention, the rotor space is opposite the stator space and the outer air space. gas-tight and operated with negative pressure. For example, the gas-tight rotor space can be kept under vacuum by means of a vacuum pump. Furthermore, it is also conceivable to introduce a gaseous medium of low viscosity into the runner groove.
The heat generated by the current in the exciter winding and possibly still to a lesser extent from the gas friction can, if it has not already been dissipated by radiation, by internal cooling of the rotor or direct cooling of the rotor copper by means of a stub shaft and discharged liquid or gaseous coolant are effected.
An advantageous embodiment of the invention consists in the fact that the stator space, which is closed off from the outer air space and the rotor space, is a gaseous medium as a coolant. contains ,. the "is under overpressure and is circulated by fans and cooled by means of Wäxmeaustauscher .ge. The heat exchanger through which the gas flow from the stator space flows through, in order to keep it as small as possible, a cooling liquid flows through it.
Due to the closed formation of a rotor space, the low gas pressure results in a substantial reduction in the friction that occurs when the rotor rotates. In the case of a vacuum in the rotor space, it is even conceivable to bring the surface friction of the rotor to practically zero. Another advantage of this arrangement is that he can do without the rotor fan that was customary up to now.
The stator cooling operated with cooling gas and overpressure also ensures, in connection with the space and cooling arrangement of the rotor provided separately from the stator space, a further improvement in high-speed electrical machines. With the invention, therefore, the active dimensions can be further reduced or the efficiency can be increased even further than was the case with the previously known electrical, gas-cooled machines.
In the drawing, as an exemplary embodiment of the invention, a generator is shown in FIG. 1 partially in axial section and in FIG. 2 in cross section perpendicular to the axis along the lines A-A and B-B of FIG represents.
The housing of the generator is divided into two spaces separated from one another in a gas-tight manner, namely into a rotor space 1 and a stator space 2. The space 1, which is cylindrical in shape and formed by two insulating cylinders 19, 20 and the inner surfaces of the stator iron 11, contains the rotor 3, whose shaft ends 4, 5 are guided to the outside via gas seals 6, 7, for example liquid seals are.
The shaft end 5 is also provided with a pipe connection @ 8 for the supply and with a pipe connection 9 for the discharge of the coolant, which can be a liquid or gaseous medium, for the internal cooling of the runner. Here, the two Rohrleitun conditions 8 and 9 are arranged concentrically to one another. The rotor chamber 1 is connected via a pipe 10 with a vacuum pump 18 which keeps the rotor chamber 1 under vacuum.
As can be seen from the figures, the rotor 3 is located on the rotor circumference between two grooves 21 filled with copper conductors and a groove through which the liquid coolant flows and is also removed at the other end of the machine through a radial bore towards the shaft (see Fig. 2).
The stator core 11 and the windings 12 are arranged in the stator space 2, which is under excess pressure. Two opposite sides of the stator space 2 are each connected to an external cooling pipe system 13, 13 ', each of which has an externally driven fan 14 or 14' and a heat exchanger 137 or
15 'has. A special coolant, for example a cooling liquid, is also fed to the two heat exchangers 15, 15 'via the supply and discharge pipes 16, 17 and 16', 17 '.
When the generator is in operation, the vacuum pump 18, which is also in operation, will generate and maintain a vacuum in the rotor space 1. To follow this vacuum, the surface friction in the rotor 3 is kept very low ge. The heat that may still occur to a small extent is conducted partly by radiation and partly by the coolant introduced into the rotor 3. Even when using a gaseous medium with low pressure in the rotor space, only low friction losses will occur.
From Fig. 2, the management of the cooling gas in the cooling channels located in the groove base 23 in the stand 11 can be seen. In each case two cooling channels located next to one another on the stator circumference are flowed through by the cooling gas in opposite directions.
For this purpose there is an annular pressure chamber 2a on each end face of the .Stestandraumes, in which the cooling gas is pressed in by the fan 14 or 14 'and another annular one! Space 2b, from which the cooling gas is sucked off by the fan 14, 14 '(FIG. 1).
The ends of the cooling ducts in the .Stator lamination stack are opened alternately to the right and left pressure chamber 2a, so that the cooling gas can enter the ducts at these points. The opposite ends of the cooling channels, from which the gas flows, are each connected to one of the spaces 2b by appropriate pipe connections or the like.
What is achieved in this way is that the direction of flow of the cooling flows is directed alternately in opposite directions in the cooling channels of the laminated stator core. Intensive cooling is brought about by the fact that a cooling liquid flows to the heat exchangers 15, 15 'via the tubes 16, 17 or 16', 17 '.
This liquid cooling of the heat exchangers 1'5, 15 'makes it possible to keep their dimensions small. The gas pressure in the stator space is kept at least high enough to result in a favorable insulation strength in relation to the high-voltage winding in addition to a favorable convection coefficient of the cooling gas.
For example, at an overpressure of 2 atmospheres, the convection factor is about 21/2 times and the insulation strength almost 3 times as great as at normal pressure. The gas pressure in the cooling circuit of the stator is maintained by the fact that when the pressure drops below the setpoint, fresh gas is fed to the cooling circuit under a corresponding excess pressure.
The invention extends not only to the imple mentation shown in the drawing. Other arrangements within the scope of the invention are also conceivable with regard to the design of the iStator and rotor space and the cooling systems for the rotor and stator. .With. For example, the stator cooling systems are also installed inside the machine housing.
There are also other technical possibilities for cooling the rotor, for example the coolant being introduced on one side of the rotor and discharged again on the other side. It is also possible to extract the gaseous medium from both sides to create a vacuum in the rotor area,
and also a connection to the vacuum space of the condenser of the steam turbine is conceivable. Furthermore, if the rotor space contains a gaseous medium, appropriate, per se known A directions can be used for maintaining the negative pressure and the purity of the gas.
Various sealing arrangements, for example using liquids such as oil and the like, have also been proposed for sealing gas compartments of electrical machines, which can also be used for the gas-tight implementation of the shafts from the rotor compartment of the machine according to the invention nen.