Ständerwicklung mit direkter Leiterkühlung Die Erfindung bezieht sich auf eine direkt ge kühlte Ständerwicklung einer elektrischen Maschine, insbesondere eines schnellaufenden Turbogenerators, bei welcher der Nutraum von Kühlkanälen durch zogen ist. üblicherweise verwendet man für die Kühl kanäle ein Metall, welches einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, und umgibt die metallischen Kühlkanäle mit einer schwachen Isola tion. Es ist bereits vorgeschlagen worden, zur Erzie lung einer möglichst grossen Kühlleistung ein einziges Bündel von Kühlkanälen in der Mitte zweier Gitter stäbe anzuordnen.
Bei dieser Anordnung steht die den Wicklungsstab umgebende isolierende Wicklungs hülse in unmittelbarer Berührung mit den Aussen flächen der Gitterstäbe. Die höchstmöglichste Tem peratur der Gitterstäbe, von welcher die Nennleistung der Maschine abhängt, ist daher auf die höchste zu lässige Dauertemperatur beschränkt, welche von der Wicklungshülse über einen längeren Zeitraum ohne merkliche Verschlechterung ihrer elektrischen und mechanischen Eigenschaften ausgehalten wird. Üb licherweise wird für die Wicklungshülse aus isola tionstechnischen Gründen ein insbesondere glimmer- haltiger Isolierstoff verwendet, dessen höchstzulässige Dauertemperatur bei 130 C liegt.
Durch die vorge schlagene Anordnung eines einzigen Kühlkanalbün- dels in der Mitte des Nutleiters ist zwar bei vorge gebener Grösse der Ständernut ein Optimum an wirksamer Wärmeaustauschfläche zwischen Kühl kanälen und den die grösstmögliche Gesamtquer schnittfläche aufweisenden Leitern erreicht, aber die heisseste Leitertemperatur ist auf die höchstzulässige Dauertemperatur des für die Wicklungshülse ver wendeten Isolierstoffes beschränkt. Daher wird bei der vorgeschlagenen Anordnung für die Isolation der Einzelleiter ein Isolierstoff der gleichen Art wie für die Wicklungshülse verwendet.
Durch die Erfindung wird die Beschränkung be züglich der höchstmöglichen Temperatur der Leiter, welche durch die Eigenschaften des für die Wick lungshülse verwendeten Isolierstoffes gegeben ist, überwunden, indem gemäss der Erfindung das Lei terbündel jeder Spulenseite ringsum von Kühlkanälen umgeben ist, welche eine Kühlzone zwischen der den Leiterstab umgebenden Wicklungshülse und dem Leiterbündel bilden. Vorteilhafterweise liegen die Kühlkanäle unmittelbar aneinander an. Sie umgeben auf diese Weise die vier äussern Seiten der im Innern befindlichen Leiter und bilden einen thermischen Puffer zwischen diesen und der äussern Wicklungs hülse.
Zur Erläuterung der Erfindung ist in der Zeich nung beispielsweise ein Querschnitt durch die Nut bzw. die Leiterstäbe einer elektrischen Maschine mit einer erfindungsgemäss ausgebildeten Wicklung wie dergegeben. 10 bedeutet in dieser Figur das Eisen blechpaket, in dessen Nuten 11 zwei Leiterstäbe 12 vorhanden sind. Jeder dieser Leiterstäbe ist von einer Wicklungshülse 22, die entsprechend der vor handenen Hochspannung bemessen ist, umgeben. 18 bedeutet das zur Stromführung dienende Leiterbündel jedes Leiterstabes, das zur Herabsetzung oder Be seitigung der Wirbelstromverluste aus je zwei nach dem Röbelprinzip ausgebildeten Gitterstäben 20a, 20b zusammengesetzt ist. Die einzelnen Teilleiter des Leiterbündels sind durch eine Zwischenisola tion 23 getrennt.
Diese Isolation 23 ist eine dünne Niederspannungsisolation von etwa 0,15 bis 0,18 nun. Ihre Durchschlagsfestigkeit liegt bei etwa 600 Volt.
Das Leiterbündel 18 ist jeweils von einem zusam mengesetzten Mantel aus rechteckförmigen metalli schen Kühlkanälen 21 umgeben, welche vorzugs weise unmittelbar aneinander anschliessen. Jeder Kühlkanal 21 ist mit einer Isolierschicht 24 umgeben. Die Kühlkanäle 21 bilden eine Kühlzone und damit einen thermischen Puffer zwischen dem Leiterbündel 18 und der Wicklungshülse 22, so dass die in dem Leiterbündel 18 auftretenden Temperaturen nicht unmittelbar auf die Wicklungshülse einwirken kön nen.
Die Isolierschicht 24 der einzelnen metallischen Kühlkanäle 21 entspricht in ihrer Stärke und Durch schlagsfestigkeit etwa der Niederspannungsisolation 23 der Teilleiter. Die Kühlkanäle 21 können auch aus Isoliermaterial bestehen; Voraussetzung ist dabei lediglich, dass dieses Isoliermaterial eine genügende mechanische Festigkeit besitzt, um die beim Her stellen der Wicklungshülse 22 auftretenden Press- kräfte auszuhalten.
Für die Wicklungshülse 22 kann beispielsweise ein Isolierstoff mit einer höchstzulässigen Dauertem peratur von 130 C verwendet werden. Die Nieder spannungsisolation 23 der Teilleiter ist entsprechend der höheren zulässigen Dauertemperatur des Leiter bündels 18 zu wählen, kann also beispielsweise aus einem warmfesten Isolierstoff mit einer höchstzu lässigen Dauertemperatur von 180 oder gar 200 C und mehr bestehen. Die Isolierschicht 24 der Kühl kanäle 21 kann aus dem gleichen Isolierstoff wie die Niederspannungsisolation 23 gewählt werden. Da die Kühlkanäle 21 aber nur mit einer Seite an dem Leiterbündel 18 anliegen, genügt es, für die Isolier schicht 24 einen Isolierstoff zu verwenden, dessen höchstzulässige Dauertemperatur tiefer als die höchst zulässige Dauertemperatur der Niederspannungsiso lation 23 liegt.
Gegenüber Leiteranordnungen mit zwischen den Teilleiterreihen liegenden Kühlkanälen, bei denen die Innenfläche der Wicklungshülse der höchsten Leiter temperatur ausgesetzt ist, ergibt sich gemäss der Er findung durch die Einschaltung einer zusammenhän genden Kühlzone zwischen den Wicklungshülsen und dem Leiterbündel 18 eine Herabsetzung der Tem peratur der Wicklungshülse auf nahezu die gleiche Temperatur, wie sie die flüssigkeits- oder gasge kühlten Kühlkanäle aufweisen. Die durch die Wahl des Isolierstoffes für die Wicklungsstäbe festgesetzte höchstzulässige Hülsentemperatur beschränkt also lediglich die Temperatur der Kühlkanäle, nicht aber die der Leiter.
Der hierdurch bedingte Vorteil liegt darin, dass für die Leiter eine Temperatur zugelassen wird, welche beträchtlich über der höchsten Kühl kanaltemperatur liegt, welche praktisch der höchsten Temperatur des durch die Kühlkanäle fliessenden Kühlmediums - Wasserstoff oder eine andere Kühlflüssigkeit - entspricht. Da die Geschwindig keit, mit der die Wärme der erwärmten Leiter durch das Kühlmedium abgeführt werden kann, von dem Temperaturgefälle zwischen Kühlmedium und Lei- tern abhängt, bringt die durch die Erfindung ermög lichte Erhöhung der zulässigen Leitertemperatur eine wesentliche Erhöhung des Nennstromes der Ständer wicklung mit sich.
Die Erfindung kann grundsätzlich bei Flüssig keitskühlung oder bei Gaskühlung Anwendung fin den. Im letzteren Falle sind die Kühlkanäle an den Wickelkopfteilen der Leiterstäbe mit offenen Enden versehen. In Einzelheiten kann die beschriebene An ordnung selbstverständlich abgeändert werden, z. B. können die Kühlkanäle 21 auch aus Isoliermaterial hergestellt werden. Die Anwendung der Erfindung ist auch nicht auf den Fall beschränkt, dass infolge Zusammensetzung des Leiterbündels aus zwei Röbel- stäben vier nebeneinander liegende Teilleiterreihen vorhanden sind.
Stator winding with direct conductor cooling The invention relates to a directly cooled stator winding of an electrical machine, in particular a high-speed turbo generator, in which the slot space is drawn through by cooling channels. Usually a metal is used for the cooling channels, which has a high specific electrical resistance, and surrounds the metallic cooling channels with a weak insulation. It has already been proposed to arrange a single bundle of cooling channels in the middle of two grating bars to achieve the greatest possible cooling capacity.
In this arrangement, the insulating winding sleeve surrounding the winding bar is in direct contact with the outer surfaces of the bars. The highest possible temperature of the bars, on which the rated power of the machine depends, is therefore limited to the highest permissible continuous temperature which the winding sleeve can withstand over a longer period of time without any noticeable deterioration in its electrical and mechanical properties. Usually, for insulation reasons, an insulating material containing mica, in particular, is used for the winding sleeve, the maximum permissible continuous temperature of which is 130.degree.
The proposed arrangement of a single bundle of cooling ducts in the middle of the slot conductor does indeed achieve an optimum of effective heat exchange surface between cooling ducts and the conductors with the largest possible total cross-sectional area for a given size of the stator slot, but the hottest conductor temperature is at the maximum permissible continuous temperature of the insulating material used for the winding sleeve is limited. Therefore, in the proposed arrangement, an insulating material of the same type as for the winding sleeve is used for the insulation of the individual conductors.
The invention overcomes the limitation on the highest possible temperature of the conductors, which is given by the properties of the insulating material used for the winding sleeve, in that, according to the invention, the conductor bundle of each coil side is surrounded all around by cooling channels which have a cooling zone between the Form the winding sleeve surrounding the conductor bar and the conductor bundle. The cooling channels are advantageously in direct contact with one another. In this way, they surround the four outer sides of the conductors located inside and form a thermal buffer between them and the outer winding sleeve.
To explain the invention, for example, a cross section through the groove or the conductor bars of an electrical machine with a winding designed according to the invention is shown in the drawing. In this figure, 10 means the sheet iron package, in the grooves 11 of which two conductor bars 12 are present. Each of these conductor bars is surrounded by a winding sleeve 22, which is dimensioned according to the existing high voltage. 18 denotes the conductor bundle of each conductor bar which is used to conduct current and which is composed of two grid bars 20a, 20b designed according to the Röbel principle to reduce or eliminate the eddy current losses. The individual sub-conductors of the conductor bundle are separated by an intermediate insulation 23.
This insulation 23 is a thin, low voltage insulation of about 0.15 to 0.18 now. Their dielectric strength is around 600 volts.
The bundle of conductors 18 is each surrounded by a composite jacket composed of rectangular metallic cooling channels 21, which preferably adjoin one another directly. Each cooling channel 21 is surrounded by an insulating layer 24. The cooling channels 21 form a cooling zone and thus a thermal buffer between the conductor bundle 18 and the winding sleeve 22, so that the temperatures occurring in the conductor bundle 18 cannot act directly on the winding sleeve.
The insulation layer 24 of the individual metallic cooling channels 21 corresponds in its thickness and dielectric strength approximately to the low-voltage insulation 23 of the sub-conductors. The cooling channels 21 can also consist of insulating material; The only prerequisite is that this insulating material has sufficient mechanical strength to withstand the compressive forces that occur when the winding sleeve 22 is manufactured.
For the winding sleeve 22, for example, an insulating material with a maximum permissible Dauertem temperature of 130 C can be used. The low-voltage insulation 23 of the sub-conductors is to be selected according to the higher permissible continuous temperature of the conductor bundle 18, so it can for example consist of a heat-resistant insulating material with a maximum permissible continuous temperature of 180 or even 200 C and more. The insulating layer 24 of the cooling channels 21 can be selected from the same insulating material as the low-voltage insulation 23. Since the cooling channels 21 rest only on one side of the conductor bundle 18, it is sufficient to use an insulating material for the insulating layer 24, the maximum permissible continuous temperature of which is lower than the maximum permissible continuous temperature of the Niederspannungsiso lation 23.
Compared to conductor arrangements with cooling channels lying between the rows of sub-conductors, in which the inner surface of the winding sleeve is exposed to the highest conductor temperature, according to the invention, the inclusion of a coherent cooling zone between the winding sleeves and the conductor bundle 18 results in a reduction in the temperature of the winding sleeve almost the same temperature as the liquid or gas cooled cooling channels. The maximum permissible sleeve temperature determined by the choice of insulating material for the winding bars thus only limits the temperature of the cooling channels, but not that of the conductors.
The resulting advantage is that a temperature is allowed for the conductor which is considerably higher than the highest cooling channel temperature, which corresponds practically to the highest temperature of the cooling medium flowing through the cooling channels - hydrogen or another cooling liquid. Since the speed at which the heat from the heated conductors can be dissipated by the cooling medium depends on the temperature gradient between the cooling medium and conductors, the increase in the permissible conductor temperature made possible by the invention brings with it a substantial increase in the rated current of the stator winding themselves.
The invention can in principle be used for liquid cooling or for gas cooling. In the latter case, the cooling channels on the winding head parts of the conductor bars are provided with open ends. In details, the described arrangement can of course be changed, for. B. the cooling channels 21 can also be made of insulating material. The application of the invention is also not restricted to the case that, as a result of the combination of the conductor bundle from two Röbel rods, there are four rows of partial conductors lying next to one another.