<B>Mit einem gasförmigen Kühlmittel gekühlter Läufer für elektrische Maschinen</B> Die Erfindung betrifft einen mit. einem gasförmigen Kühlmittel gekühlten Läufer für elektrische Maschinen, insbesondere für grosse Stromerzeuger.
Bei elektrischen Maschinen grosser Lei stung, beispielsweise für 50 bis 150 1IW, spielt das, Problem der Ableitung der Ver lustwärme eine wichtige Rolle. Insbesondere ist die Kühlung der Wicklung des Polrades von grosser Bedeutung. Bei den bisher be kannten Bauarten führt man die Verlust wärme durch .einen Luftstrom ab, der durch Öffnungen in einer Ringscheibe, welche die Wieklungskappe trägt, in den Läufer ge langt.
Ein Teil dieses Luftstromes kühlt die unter der Kappe liegenden Wieklungsbögen, ein anderer Teil durchströmt längs die Zähne im Rotoreisen entweder durch gebohrte Kanäle oder durch eingefräste und verschlossene Schlitze. Statt Luft, wird zur Kühlung neuer dings auch oft. Wasserstoff verwendet.
Die im Wicklungskupfer bei Stromdurch- fluss entstehende Wärme heizt dass Kupfer auf und wird durch die Isolierschicht. hin durch, welche die einzelnen Leiter umgibt, an den Eisenkörper weitergeleitet. Um diesen Wärmefluss zustande zu bringen, muss das Kupfer erheblich wärmer sein als das Eisen, da die elektrisch isolierenden Hüllen der 'ickhin.gsstäbe zugleich schlechte Wärmelei ter sind.
Da das Kupfer eine grössere Wärme dehnungszahl hat als Eisen, ausserdem wärmer wird als dieses, dehnen sich die Wicklungs- stäbe in Längsrichtung stärker aus als das Eisen, und die Wicklungsköpfe in den Kap pen verschieben sich axial.
Da die Wicklungen stramm eingepasst wer den, geschieht. diese Ausdehnung zuweilen ruckweise unter unstetiger Überwindung von Haftreibungskräften des Stabes in der Nut.
Auch pflegt bei Abkühlung sich am Stab nicht wieder die Ursprungslänge einzustel- len, sondern es bleibt jeweils eine gewisse restliche Verlängerung übrig,
was nach eini gen hundert Betriebsspielen sich zu einigen Millimetern bleibender Dehnung suminier¯t und zu stärkeren Schieflagen der Wicklungs.- köpfe unter den Kappen führen kann. Durch diese Bewegung der Wicklung wird der Wuch- tungazustand des Läufers gestört, und auch ein sauber ausgewuchteter Läufer zeigt mit der Zeit unruhigen Lauf.
Man strebt deshalb neuerdings danach, die Wicklung nicht mehr unter Vermittlung des Poleisens zu kühlen, sondern der Luft dien unmittelbaren Kontakt mit den Kupferleitern zu ermöglichen. Nach bisher bekannten Ver fahren wurden dabei die Kupferleiter so pro filiert, dass röhrenförmige Kühlluftkanäle ent stehen,
welche die unter der Kappe eintre tende Luft im hohl ausgeführten Kupfer hauptsächlich in Längsrichtung durch die Wicklungsnut streichen lassen. Die Luftr k anäle kann man auch dadurch herstellen, dass man die Kupferstäbe geeignet profiliert, so dass nur ein Teil der Nut von ihnen aus- gefüllt wird und neben jedem Stab oder zwischen zwei Stäben ein Kühl@luftschlitz ver bleibt.
Bei starker Verkeilung oder gut. eine gepresster Wicklung kann es jedoch hierbei vorkommen, dass die kräftigen Längsspan nungen infolge Erwärmung die Wicklungs stäbe aubknicken oder wellig werden lassen.
Der Hauptnaehteil dieser Anordnung ist je doch darin zu sehen, dass die Luft von den Enden des Läuferkolbens her bis zur Mitte einen ziemlich langen Weg zurückzulegen hat. Während die in der Nähe der Kappe liegen den Enden der Stäbe auf diese Weise gut gekühlt werden, bekommen die im mittleren Teil des Läufers liegenden Stabteile bereits vorgewärmte Luft, so dass man im Mittelteil des Läufers erheblich schlechtere Kühlwir kung als an den Enden feststellen kann.
Nimmt man nämlich bei einer Reparatur die Stäbe aufs den Nuten, so sieht man im Mittel teil des Läufers gelegentlich deutliche Anlauf farben auf dem Eisen, ein Zeichen, dass. dort eine höhere Temperatur aufgetreten war.
Erfindungsgemäss werden nun diese Schwe- rigkeiten bei einem mit gasförmigem Kühl mittel gekühlten Läufer für elektrische Ma schinen, insbesondere für grosse Stromerzeu ger, dadurch erheblich vermindert oder aueii ganz vermieden, dass der Läufer im Innern einen Hohlraum aufweist, der mit den Wick lungsnuten durch radiale Bohrungen verbun den ist, durch welche das gasförmige Kühl mittel vom Hohlraum aus zu den Wicklungs nuten geleitet wird.
Der erregerseitige Lager zapfen wird dabei zweckmässig mittig durch bohrt, so dass das Kühlmittel durch diese Boh rurig dem innern Hohlraum des Läufers zu strömen und von dort durch die radialen Bohrungen zu den Wicklungsnuten gelangen kann.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbei spiel eines Läufers gemäss Erfindung verein facht dargestellt. Es zeigen: Fig.l einen axialen Längsschnitt. durch den erregerseitigen Teil eines Läufers eines Stromerzeugers,
Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig.1. Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III der Fig.1. Fig. 4 einen Querschnitt durch den Läu fer nasch der Linie IV-IV der Fig.1. in grösserem Massstab,
Fig. 5 einen Teil einer Wicklungsstabes in Ansieht und Fig. 6 einen Querschnitt durch den Wick lungsstab nach der Linie VI-VI der Fig. 5. Gemäss Fig.1 und 2 weist der Läufer einen mit. Wicklungsstäben 1 versehenen Mittelteil 2 auf, welcher erregerseitig sich in einen La gerzapfen 3 fortsetzt, der in einem Lager 4 abgestützt ist.
Die Wieklungabögen werden von einer Wicklun gskappe 5 umschlossen, wel che durch eine Ringscheibe 6 getragen wird.
In der Ringscheibe 6 sind zwischen in Fig. 2 im Querschnitt gezeigten Stegen 7 Öff nungen frei gelassen, durch -welche ein gas förmiges Kühlmittel zu den Wicklungsbögen tritt und den Innenraum der Kappe 5 hernach durch nicht gezeigte Öffnungen wieder ver lässt.
Der Läufer weist nun im Innern einen Hohlraum 8 auf. Die Wicklungsstäbe 1 sind in Nuten 9 eingelegt. Der innere Hohlraum 8 ist durch radiale Bohrungen 10 mit den Wicklungsnuten 9 verbunden. Durch diese radiale Bohrungen 10 wird das gasförmige Kühlmittel vom Hohlraum 8 aus zu den Wick lungen geleitet.
Der Lagerzaipfen 3 auf der Erregerseite ist. hohl gebohrt.. An ihn schliesst ein Kopf stück 11 an, welches über Öffnungen, die zwi schen in Fig. 3 im Querschnitt. gezeigten Ste gen 12 frei gelassen werden, mit einem fest stehenden Gehäuse 13 in Verbindung steht. Eine das Gehäuse 13 durehdringende, mit dem Kopfstück 11 fest verbundene Welle 14 dient. zum Antreiben des Erregers.
Das durch die radialen Bohrungen 10 den Wicklungisstäben 1 zuzuführende gasförmige Kühlmittel kann dem Gehäuse 13 unter Druck zugeführt werden, worauf es durch die Öff nungen zwischen den Stegen 12 des Kopf- stückes 1.1 in den hohlgebohrten Lagerzapfen 3 gelangt und durch die Bohrung dieses La- gerzapfens dem innern Hohlraum 8 des Läu fers zugeleitet wird.
Cm einen Durchfluss des Kühlmittels in radialer Richtung zu ermöglichen, sind die Wicklungsstäbe mit Schlitzen 15 versehen. Die Schlitze weisen gemäss Fig.5 eine Länge a, auf und sind. in einem Abstand b vonein ander angeordnet..
Der Abstand b ist hierbei kleiner gewählt als die Länge a der Schlitze, so da.ss die Schlitze überein.anderliegender Stäbe höchstens teilweise verdeckt werden und somit stets ein Durchfluss von Kühl mittel in radialer Richtung ermöglicht wird.
Gemäss Fig. ss sind die Stäbe mit U-för- migen Isolierscheiben 16 iunklebt, sie können aber au eli vollständig mit Isolierfolien um hüllt sein. Die bewickelte Nut 9 wird gemäss Fig. 4 durch einen T-Keil 17 abgeschlossen. In diesem Keil ist ein Sammelkanal 18 für das erwärmte Kühlmittel eingefräst. Ausser dem ist dieser Keil mit radialen Bohrungen 19 versehen, welche das Kühlmittel nach aussen abschleudiern.
Wie man an Hand der Fig. 1 sieht, durch läuft das gasförmige Kühlmittel sowohl im, Mittelteil des Läufers als auch an den Enden überall gleiche kühlende Längen radial durch die Wicklung. Die Schleuderwirkung in den radialen Bohrungen 10, 19 sorgt. für eine ge nügend hohe Durchtrittsgeschwindigkeit und' eine gleichmässige Verteilung des Kühlmittels über die gesamte bewickelte Länge des Läu fers. Die Kupferstäbe werden daher nicht wärmer als das Poleisen.
Bei guter Verkei- lung und Abstützung gegen die Wand des Kapp enträgers bleiben die Stäbe bis zu einer höheren Strombelastung der Wicklungs@quer- schnitte als bei den bisherigen Kühlungsarten einverrückt in der Nut liegen.
Bei der be schriebenen Bauart ist es daher möglich, kür zere Läufer mit. höherer Leistung zu belasten, was für die bestmögliche Wahl der kritischen Drehzahl und für ein gutes Auswuchten wich tir ist.
<B> Runner for electrical machines cooled with a gaseous coolant </B> The invention relates to one. A gaseous coolant-cooled rotor for electrical machines, especially for large power generators.
In the case of high-power electrical machines, for example for 50 to 150 1IW, the problem of dissipating the heat loss plays an important role. In particular, the cooling of the winding of the magnet wheel is of great importance. In the previously known designs, the heat loss is carried out by .an air flow that reaches the rotor through openings in an annular disk that carries the rocking cap.
A part of this air flow cools the arches lying under the cap, another part flows through the teeth in the rotor iron either through drilled channels or through milled and closed slots. Instead of air, new things are often used for cooling. Used hydrogen.
The heat generated in the winding copper when current flows through it heats up the copper and is absorbed by the insulating layer. passed through, which surrounds the individual conductors, to the iron body. In order to bring about this heat flow, the copper has to be considerably warmer than the iron, since the electrically insulating sheaths of the 'ickhin.gsstänke are also bad heat conductors.
Since copper has a higher thermal expansion coefficient than iron and is also warmer than iron, the winding bars expand more in the longitudinal direction than iron, and the winding heads in the caps move axially.
Since the windings are fitted tightly to who happens. this expansion sometimes jerks while overcoming the static friction forces of the rod in the groove.
Also, when the rod cools down, the original length is not set again, but a certain remaining extension remains,
After a few hundred operating cycles, this results in a few millimeters of permanent elongation and can lead to greater misalignments of the winding heads under the caps. This movement of the winding disturbs the balance condition of the rotor, and a properly balanced rotor also shows uneven running over time.
There has therefore recently been an attempt to no longer cool the winding by means of the pole iron, but to allow the air to come into direct contact with the copper conductors. According to previously known methods, the copper conductors were profiled in such a way that tubular cooling air channels were created,
which allow the air entering under the cap to pass through the winding groove mainly in the longitudinal direction in the hollow copper. The air ducts can also be created by appropriately profiling the copper rods so that they only fill part of the groove and a cooling air slot remains next to each rod or between two rods.
With strong wedging or good. In a pressed winding, however, it can happen that the strong longitudinal stresses cause the winding bars to bend or become wavy as a result of heating.
The main part of this arrangement is, however, to be seen in the fact that the air has to travel a fairly long distance from the ends of the rotor piston to the center. While the ends of the rods near the cap are well cooled in this way, the rod parts in the middle part of the runner get preheated air so that the cooling effect in the middle part of the runner is considerably worse than at the ends.
If you take the bars on the groove during a repair, you can occasionally see clear tarnishing colors on the iron in the middle part of the runner, a sign that a higher temperature had occurred there.
According to the invention, these difficulties are now considerably reduced or even completely avoided in a rotor for electrical machines cooled with gaseous coolant, in particular for large power generators, that the rotor has a cavity inside which is connected to the winding grooves by radial Holes is verbun through which the gaseous coolant is passed from the cavity to the winding grooves.
The exciter-side bearing pin is expediently drilled through in the middle, so that the coolant can flow through this drill to the inner cavity of the rotor and from there through the radial holes to the winding grooves.
In the drawing, a Ausführungsbei is playing a runner according to the invention is shown simplified. They show: Fig.l an axial longitudinal section. through the exciter-side part of a rotor of a power generator,
FIG. 2 shows a section along the line II-II of FIG. 3 shows a section along the line III-III of FIG. Fig. 4 shows a cross section through the Läu fer nasch the line IV-IV of Fig.1. on a larger scale,
5 shows a part of a winding bar and FIG. 6 shows a cross section through the winding bar along the line VI-VI of FIG. 5. According to FIGS. 1 and 2, the rotor has a. Winding bars 1 provided central part 2, which on the exciter side continues in a La gerzapfen 3, which is supported in a bearing 4.
The Wieklungabögen are enclosed by a winding cap 5 which is supported by an annular disk 6.
In the annular disk 6 between webs 7 shown in cross section in Fig. 2 Publ openings are left free, through which a gaseous coolant passes to the winding arcs and the interior of the cap 5 afterwards through openings not shown ver leaves again.
The rotor now has a cavity 8 inside. The winding bars 1 are inserted into grooves 9. The inner cavity 8 is connected to the winding slots 9 by radial bores 10. Through these radial bores 10, the gaseous coolant is passed from the cavity 8 to the Wick lungs.
The bearing pin 3 is on the pathogen side. Hollow drilled .. At it closes a head piece 11, which has openings that rule between in Fig. 3 in cross section. Ste shown 12 are left free, with a fixed housing 13 is in communication. A shaft 14 which penetrates the housing 13 and is firmly connected to the head piece 11 is used. to drive the pathogen.
The gaseous coolant to be fed to the winding bars 1 through the radial bores 10 can be fed to the housing 13 under pressure, whereupon it passes through the openings between the webs 12 of the head piece 1.1 into the hollow-drilled bearing journal 3 and through the bore of this bearing journal the inner cavity 8 of the runner is fed.
To enable the coolant to flow through in the radial direction, the winding bars are provided with slots 15. According to FIG. 5, the slots have a length a and are. arranged at a distance b from one another ..
The distance b is selected to be smaller than the length a of the slots, so that the slots of the bars lying one above the other are at most partially covered and thus a flow of coolant in the radial direction is always possible.
According to FIG. 5, the bars are glued with U-shaped insulating washers 16, but they can also be completely covered with insulating foils. The wound groove 9 is closed off by a T-wedge 17 according to FIG. A collecting channel 18 for the heated coolant is milled into this wedge. In addition, this wedge is provided with radial bores 19, which throw off the coolant to the outside.
As can be seen from FIG. 1, the gaseous coolant runs radially through the winding, both in the middle part of the rotor and at the ends, with the same cooling lengths everywhere. The centrifugal effect in the radial bores 10, 19 ensures. for a sufficiently high passage speed and an even distribution of the coolant over the entire length of the runner. The copper rods therefore do not get warmer than the pole iron.
With good wedging and support against the wall of the cross-member, the bars remain in the groove up to a higher current load on the winding cross-sections than with the previous types of cooling.
With the type described, it is therefore possible to use shorter runners. to load higher power, which is important for the best possible choice of the critical speed and for good balancing.