Dynamoelektrische Maschine Die Erfindung bezieht sich auf eine dynamoelek trische Maschine und insbesondere auf einen Turbo generator grosser Leistung.
Die Leistung von Turbogeneratoren wird gegen wärtig rasch gesteigert und einfache Einheiten mit Drehzahlen von 3000 und 3600 U/'Min und einer Leistung von 200 000 kW wurden aufgestellt oder sind in Fabrikation. Grössere Einheiten sind im Stu dium.
Diese Leistungssteigerung wurde hauptsächlich durch dn@- Verwendung von Wasserstoff unter ver hältnismässig hohem Druck zur Kühlung des Gene rators und durch die Entwicklung direkter Kühlung des Kupfers in den Stator- und Rotorwicklungen er halten. Auf diese Weise wurden -die geometrischen Abmessungen der Generatoren nicht wesentlich ver grössert. Daher :ist die spezifische elektrische Be lastung, das Produkt aus Statomstrom und Zahl der aktiven Leiter viel grösser :geworden.
Um bei den gleichen elektrischen Charakteristiken zu bleiben, ins besondere mit Rücksicht auf das Kurzschlussverhält- nis, .d. h. das Verhältnis des Feldstromes bei der Nennspannung für geöffneten Ankerstromkreis und bei Nennfrequenz zum Feldstrom beim Nennstrom des Ankers unter symmetrischen Kurzschluss und bei Nennfrequenz, russ daher der Luftspalt viel breiter als bisher üblich gemacht werden.
Ein für ein Kurzschlussverhältnis von 0,5 bis 0,55 konstruierter Generator kann einen Luftspalt von un gefähr 10 cmhaben, während bei einem Kurzschluss- verhältnis von 0,7 bis 0,8 ;der Luftspalt nahezu 15 cm erreichen kann. Solche Luftspalte machen einen wesentlichen Teil des Raumbedarfes der Maschinen aus. Der vorliegenden Erfindung lieb die, Aufgabe zugrunde, einen Teil :des im Luftspalt verfügbaren Raumes auszunutzen.
Erfindungsgegenstand eist eine dynarnoelektnische Maschine, bei welcher elektrische Leiter, die we nigstens einen Tei: der Statorwicklungdarstellen, min destens teilweise im Luftspalt untergebracht sind.
In elner bevorzugten Ausführungsform der erfin dungsgemässen Maschine nach dem vorhergehenden Absatz sind die Statorleiter im Luftspalt in einen entfernbaren Zylinder eingebettet.
Dabei liegt zweck mässigerweiseder Zylinder verschiebbar an der Innen fläche des Statorkerns an, und Vorsprünge an dem Zylinder greifen verschiebbar mit Vertiefungen des erwähnten Kernes ein, um ein Rotieren des Zylinders zu verhindern.
In der Zeichnung ist .der Erfindungsgegenstand beispielsweise schematisch dargestellt. Es zeigen: Fig.1 .eine teilweise geschnittene Ansicht eines Wechselstromgenerators, welche die im Luftspalt an geordneten Leiter zergt, Fig. 2a bis 2c die Anwendung der Erfindung auf verschiedene Formen des Leiters, Fig. 3a und 3b den Aufbau eines typischen isolier tein Leiters,
der .sich für die Verwendung am Erfin- d'un.gsgegenstand eignet, Fi:g.4 Beine Ausführungsform des entfernbaren Zylinders, in den :die Leitereingebettet sind, Fig. 5 und 6 zwei weitere Ausführungsformen des enitfernbaren Zylinders.
Bei einem einen Turbowech:selgenerator betreffen- dein Ausführungsbeispiel der Erfindung sind nach Fig. 1 die einzelnen Leiter 1 der Statorwicklung in einem entfernbaren Zylinder 2 angeordnet, der sich mm Luftspalt 3 der Maschine zwischen dem Stator- körper 4 und :
dem Rotor 5 befindet. Während in Fig. 1 der Zylinder 2 sich nicht über .die ganze Länge der Leiter erstreckt, kann @er gewünschtenfalls über diese Länge erstreckt :sein. Die Leiter können kreis förmigen, rechteckigen oder quadratischen Quer- schnitt haben oder andere geeignete Formen auf weisen.
Sie sind in isolierte Streifen unterteilt und in geeigneter Weise verdrillt oder versetzt, wie zur Herabsetzung von Wirbelströmen üblich. Die Leiter sind vorzugsweise hohl ausgeführt oder mit geeigne ten Kanälen versehen, um kühlendes Gas oder Flüssig keiten aufzunehmen, welche gemäss bekannten Kon struktionen oder Vorschlägen in .direkter Berührung oder im wesentlichen in direkter Berührung mit dem Kupfer fliessen.
Unter den .dargestellten Beispielen zeigt F ig.2a Hochspannungsleiter 6, die in einen .entfernbaren Zy linder 2 eingebettot sind!.
Die gezeigten Leiter be stehen aus einer Reihe zentraler Litzen a und zwei konzentrischen Ringen von Litzen b und c, die alle .durch Isolierzwischenschiohten <I>a' b'</I> und c' vonein ander getrennt sind'. Fig. 2b zeigt zur direkten. Kühlung geeignete Leiter, wobei die Litzenleiter an jeder Seite eines Kühlmittelkanals 7 ;angeordnet und von einer Isolation 8 umgeben sind.
Fig.2c zeigt einen zur direkten Kühlung ge eigneten kreisförmigen Leiter.
Geeignete Unterteilungen, Kanäle oder Rohre, Kombinationen dsarselben oder eines Teiles derselben sind vorgesehen, um das kühlende Gas oder die kühlende Flüssigkeit zu den Leitern hin. und von diesen weg zu leiten.
Die Leiter sind, wie Fig.3a und 3b zeigen, mit einer Isolation 9 isoliert, welche durch Mikanit- rohre gebildet sein kann, .die auf den Leiter gebunden oder um diesen gewickelt sind, oder aus einer Sili konverbindung, Papier oder beliebigem anderem geeignetem Material bestehen, welches in geeigneter Weise in der erforderlichen Dicke aufgebracht ist, um der betriebsmässigen oder einer höheren Spannung Stand zu halten. Die Aussenseite :
des Isolierrohres 9 isst vorzugsweise mit einer leitenden metallischen Hülle 10 oder einem derartigen überzug bedeckt und die den einzelnen Leitern zugeordneten Hüllen sind an geeigneten Stellen miteinander und mit der Erde verbun'd'en, um sicherzustellen, dass die S.p:
annungs- gradienten in dien Isolierrohren .im wesentlichen gleichmässig sind. Gemäss einer anderen Ausführungs form können die leitenden Umhüllungen um den Leiter gegen Erde .isoliert sein,
in welchem Falle sie -dann mit -dem Nullpunkt der Wicklung elektrisch verbunden sein können, so,dass die grösste Spannung zwischen einem Leiter und der Ihn umgebenden Hülle unter allen Arbeitsbednbwngen die Phasenspannung nicht überschreitet. Die Dicke,des Hauptisolierrohres kann daher kleiner als normal sein.
Die leitende Umhüllungsschicht kann,die Form eines einen hohen Widerstand aufweisenden Metall- oder Graphitüber- zuges von geeigneter elektrischer Leitfähigkeit haben, um übermässige Wirbelströme zu vermeiden.
Nach einer Ausführungsvariante kann -die Umhüllung aus Metalldraht oder --band gebildet sein, dessen Be messung und Anordnung im Hinblick auf eine Ver ringerung der Wirbelstromverluste getroffen sind.
Die Wicklungen sind vorzugsweise Mantelwick lungen mit rautenförmiger Leiteranordnung, doch können auch andere Wicklungsarten angewendet werden. Die Wicklungen können einschliesslich der Endwicklungen zwischen zwei Zylindern 11, 12 aus geeignetem Material (z. B. Bakelitpapier -[Marke, Pressspan oder Mikanit) eingebaut sein, wie Fig.4 zeigt.
Der Zwischenraum zwischen den Leitern ist mit einem geeigneten Giessharz 13 ausgefüllt, z. B. mit Epoxy-Harz oder anderem Material. Nach einem anderen Verfahren werd,-.n die Leiter in eine Form ,eingesetzt, und es wird ein Giessharz, Beton oder eine andere geeignete Masse hineingegossen, um nach dem Herausziehen aus der Form einen massiven, .selbsttragenden Zylinder zu erhalten, indem die Lei- ter eingebettet sind.
Bei jeder dieser beiden Aus- führungsarten sind die Wicklungen unverrückbar gegenüber den bei Kurzschluss auftretenden elektro- magnetischen Kräften gehalten.
Bei einer weiteren in zig. 5 gezeigten Augbfildung ist der Zylinder in Form von Segmenten 14 auf gebaut, die mittels isolierter Schrauben 15 zusammen geschraubt wenden können. Diese Ausführung er leichtert das Entfernen der Leiter bei Reparaturen.
In jedem Falle kann der Zylinder mit geeigneten Keilen oder Vorsprüngen 16 (Fig.4) versehen sein, welche in entsprechende Vertiefungen im S'tatorkörper passen, um zu verhindern, dass der Zylinder im Be trieb @entweder unter normalen Bedingungen oder bei Störungen rotiert. Nach einer anderen Ausführung kann der Zylinder in eine glatte Bohrung einschieb bar sein, wobei an :einem oder beiden Enden geeignete Festhaltemittel vorgesehen sind, um eine =Drehung während des Betriebes zu verhindern.
Die Leiter in der beschriebenen Art in einen entfernbaren Zylinder einzubettenstatt sie in bekann ter Weise in Schlitzen am inneren Umfang des Sta- torkörp2rs anzuordnen, hat .den Vorteil, :d'ass .das Lei tergebilde für sich ,hergestellt und nach Fertigstellung in den S.tatorkörper einmontiert werden kann.
Das ganze Leitergebilde, das die Statorwicklun#g bildet, ist auf .diese Weise ersetzbar und kann getrennt trans portiert werden.
Weiterhin bedeutet das Wegfallen der Stator- zähne Beine Herabsetzung des Gesamtdurchmessers des Statorkörpers miitdaraus folgender Verminderung ,der Esenvesrluste und Verbesserung :des Wirku@ngs- grad'es -der Wechselstrommaschine.
Durch die Anordnung :der Leiter im Luftspalt wird der 'm Umfangsrichtung für die Unterbringung ,der Leiter verfügbare Raum wegen der Beseitigung der Statorzähne vergrössert, und das gewährt grössere Freiheit in der Bemessung der Statorleiter und stei gert den Kupferquerschnitt, der vorgesehen werden kann. Die Kupferverluste können dann .im Vergleich zu bekannten Konstruktionen herabgesetzt und der Wirkungsgrad der Wechselstrommaschine gesteigert werden.
Durch das Einbeeten :der Statorleiter in einen Zylinder der beschriebenen Art sind die Leiber an allen Stellen unverrückbar gehalten.
Bei einer weiteren, in Fig. 6 gezeigten Ausfüh rungsform sind Lamellenpakete in Form vom Stator- kern getrennter Statorzähne 17 zwischen den Leitern untergebracht und durch das zum Formen des Zylin ders benutzte Material 18 in ihrer Lage gehalten. Diese Ausführung ist dort vorteilhaft, wo die Breite des für die Unterbringung der Statorwicklung .nötigen Luftspaltes grösser ist als die zum Erzielen der ge wünschten Charakteristiken erforderliche.
Wenn kalt- gewalztes Kernblech mit :gerichtetem Korn verwen det wird, kann die Richtung des Korns sowohl für den Kern als auch für die Zähne im richtigen Sinne angeordnet werden.
Während bei den bisher beschriebenen Ausfüh- rungsformen der Erfindung die Leiter einzeln isoliert sind, können auch die blanken Leiter in einen Zylinder in der beschriebenen Weise eingebettet werden, jedoch muss in diesem Falle das Material des Zylinders ein elektrisches Isoliermaterial sein.
Bei einer solchen Ausführung kann der Zylinder an seiner inneren oder äusseren Mantelfläche oder an beiden durch eine halbleitende Schicht begrenzt sein, welche mit der Erde oder dem neutralen Teil der Wicklung verbun den sein kann.
Die Erfindung kann mit einer Kühleinrichtung geeigneter Art benutzt werden.
Der Begriff Luftspalt ist in der Beschreibung zur Bezeichnung eines Spaltes im magnetischen Kreis der Maschine benutzt, ohne Rücksicht auf die Tat sache, d-ass in den meisten Fällen bei den Maschinen der beschriebenen Art der Luftspalt keine Luft, son dern ein kühlendes Fluidum, beispielsweise Wasser stoff, enthält.
Während bei den abgebildeten Ausführungsfor men eine im wesentlichen gleichmässige Verteilung der Leiter gezeigt ist, :ist zu bemerken, dass Leiter .oder Leitergruppen gewünschtenfalls in unregelmässigen Abständen voneinander am Umfang angeordnet sein können.
Es ist .auch zu erwähnen, dass die Statorleiter im ganzen oder nur teilweise in -den Zyliindfer eingebettet sein können. Einige Leiter können beispielsweise ge- wünschtenfalls teilweise im Zylinder und teilweise im Statorkern angeordnet sein.
Wenn direkt gasgekühlte Wicklungen verwendet werden, können in den Enden des Zylinders geeignete COffnungen vorgesehen .sein, um Gasein- und -auslässe zu bilden.
Bei flüssigkeitsgekühlten Wicklungen können im Zylinder geeignete Verteil- und Sammelkanäle aus- gespart sein, nur .das Kühlmittel :der hohlen Leibern zu- und von ihnen wegzuführen.
Dynamoelectric machine The invention relates to a dynamoelek tric machine and in particular to a turbo generator of great power.
The performance of turbo generators is currently increasing rapidly and simple units with speeds of 3000 and 3600 rpm and a power of 200,000 kW have been set up or are in production. Larger units are being studied.
This increase in performance was mainly due to the use of hydrogen under relatively high pressure to cool the generator and the development of direct cooling of the copper in the stator and rotor windings. In this way, the geometric dimensions of the generators were not significantly increased. Therefore: the specific electrical load, the product of the static current and the number of active conductors, has become much greater.
In order to maintain the same electrical characteristics, especially with regard to the short-circuit ratio, .d. H. the ratio of the field current at the nominal voltage for an open armature circuit and at nominal frequency to the field current at the nominal current of the armature under symmetrical short-circuit and at nominal frequency, so the air gap can therefore be made much wider than previously usual.
A generator designed for a short circuit ratio of 0.5 to 0.55 can have an air gap of approximately 10 cm, while with a short circuit ratio of 0.7 to 0.8 the air gap can reach nearly 15 cm. Such air gaps make up an essential part of the space requirements of the machines. The present invention is based on the task of using part of the space available in the air gap.
The subject of the invention is a dynamic electronic machine in which electrical conductors, which represent at least part of the stator winding, are at least partially accommodated in the air gap.
In a preferred embodiment of the machine according to the invention according to the preceding paragraph, the stator conductors are embedded in a removable cylinder in the air gap.
The cylinder expediently rests slidably on the inner surface of the stator core, and projections on the cylinder engage slidably with depressions in the aforementioned core in order to prevent the cylinder from rotating.
The subject of the invention is shown schematically in the drawing, for example. Shown are: Fig.1. A partially sectioned view of an alternator, which decomposes the conductor arranged in the air gap, Fig. 2a to 2c the application of the invention to different shapes of the conductor, Fig. 3a and 3b the structure of a typical insulating tein conductor ,
which is suitable for use on the subject of the invention, FIG. 4 shows the embodiment of the removable cylinder in which: the conductors are embedded, FIGS. 5 and 6 two further embodiments of the removable cylinder.
In an embodiment of the invention relating to a turbo change: selgenerator, the individual conductors 1 of the stator winding are arranged in a removable cylinder 2 according to FIG. 1, which is in the air gap 3 of the machine between the stator body 4 and:
the rotor 5 is located. While in Fig. 1 the cylinder 2 does not extend over the entire length of the ladder, it can extend over this length if desired. The conductors can have a circular, rectangular or square cross-section or have other suitable shapes.
They are divided into isolated strips and twisted or staggered in a suitable manner, as is usual to reduce eddy currents. The conductors are preferably made hollow or provided with suitable channels to accommodate cooling gas or liquids which, according to known constructions or proposals, flow in .direkter contact or essentially in direct contact with the copper.
Among the examples shown, FIG. 2a shows high-voltage conductors 6 which are embedded in a removable cylinder 2 !.
The conductors shown consist of a row of central strands a and two concentric rings of strands b and c, all of which are 'separated from each other by insulating layers <I> a' b '</I> and c'. Fig. 2b shows the direct. Conductors suitable for cooling, the stranded conductors being arranged on each side of a coolant channel 7; and being surrounded by insulation 8.
Fig.2c shows a ge suitable for direct cooling circular conductor.
Suitable partitions, channels or pipes, combinations thereof or a part thereof, are provided for the cooling gas or the cooling liquid to the conductors. and to lead away from them.
The conductors are, as shown in FIGS. 3a and 3b, insulated with an insulation 9, which can be formed by micanite tubes, which are tied to or wrapped around the conductor, or made of a silicon compound, paper or any other suitable material Material are made, which is applied in a suitable manner in the required thickness to withstand the operational or a higher voltage withstand. The outside:
of the insulating tube 9 is preferably covered with a conductive metallic sheath 10 or such a coating and the sheaths assigned to the individual conductors are connected to each other and to the earth at suitable points in order to ensure that the S.p:
approximation gradients in the insulating pipes are essentially uniform. According to another embodiment, the conductive sheaths around the conductor can be isolated from earth,
in which case they can then be electrically connected to the zero point of the winding so that the greatest voltage between a conductor and the shell surrounding it does not exceed the phase voltage under all working conditions. The thickness of the main insulation tube can therefore be smaller than normal.
The conductive covering layer can have the form of a high resistance metal or graphite coating of suitable electrical conductivity in order to avoid excessive eddy currents.
According to one embodiment, the sheathing can be made of metal wire or strip, the dimensions and arrangement of which are made with a view to reducing eddy current losses.
The windings are preferably sheathed windings with a diamond-shaped conductor arrangement, but other types of windings can also be used. The windings, including the end windings, can be installed between two cylinders 11, 12 made of a suitable material (e.g. Bakelite paper - [brand, pressboard or micanite), as FIG. 4 shows.
The space between the conductors is filled with a suitable casting resin 13, e.g. B. with epoxy resin or other material. According to another method, the ladder is inserted into a mold, and a casting resin, concrete or other suitable compound is poured into it, in order to obtain a solid, self-supporting cylinder after pulling it out of the mold by inserting the lei - are embedded.
In each of these two types of construction, the windings are held immovable with respect to the electromagnetic forces that occur in the event of a short circuit.
Another in tens. 5 shown Augbfildung the cylinder is built in the form of segments 14, which can turn by means of insulated screws 15 screwed together. This design makes it easier to remove the ladder during repairs.
In any case, the cylinder can be provided with suitable wedges or projections 16 (FIG. 4) which fit into corresponding recesses in the actuator body in order to prevent the cylinder from rotating during operation, either under normal conditions or in the event of malfunctions. According to another embodiment, the cylinder can be pushed into a smooth bore, with suitable retaining means being provided at one or both ends in order to prevent rotation during operation.
Embedding the conductors in the manner described in a removable cylinder instead of arranging them in the known manner in slots on the inner circumference of the stator body has the advantage that the conductor structure is manufactured by itself and, after completion, in the S .tator body can be installed.
The entire conductor structure that forms the stator winding is replaceable in this way and can be transported separately.
Furthermore, the omission of the stator teeth and legs means a reduction in the overall diameter of the stator body, with the following reduction, the energy losses and an improvement: the efficiency of the alternating current machine.
The arrangement: the conductor in the air gap increases the circumferential direction for the accommodation, the conductor increases the available space due to the elimination of the stator teeth, and this allows greater freedom in the dimensioning of the stator conductors and increases the copper cross-section that can be provided. The copper losses can then be reduced compared to known constructions and the efficiency of the alternating current machine increased.
By embedding the stator conductor in a cylinder of the type described, the bodies are held immovable at all points.
In a further embodiment shown in FIG. 6, plate packs in the form of stator teeth 17 separated from the stator core are accommodated between the conductors and held in their position by the material 18 used to shape the cylinder. This design is advantageous where the width of the air gap required to accommodate the stator winding is greater than that required to achieve the desired characteristics.
If cold-rolled core sheet with oriented grain is used, the direction of the grain can be arranged in the correct sense for both the core and the teeth.
While the conductors are individually insulated in the previously described embodiments of the invention, the bare conductors can also be embedded in a cylinder in the manner described, but in this case the material of the cylinder must be an electrical insulating material.
In such an embodiment, the cylinder can be delimited on its inner or outer lateral surface or on both by a semiconducting layer, which can be connected to the earth or the neutral part of the winding.
The invention can be used with any suitable type of cooling device.
The term air gap is used in the description to designate a gap in the magnetic circuit of the machine, regardless of the fact that in most cases in the machines of the type of air gap described there is no air, but a cooling fluid, for example Contains hydrogen.
While the illustrated embodiments show an essentially even distribution of the conductors, it should be noted that conductors or groups of conductors can, if desired, be arranged at irregular distances from one another on the circumference.
It should also be mentioned that the stator conductors can be completely or only partially embedded in the cylinder. Some conductors can, for example, if desired, be arranged partly in the cylinder and partly in the stator core.
If gas-cooled windings are used directly, suitable openings can be provided in the ends of the cylinder to form gas inlets and outlets.
In the case of liquid-cooled windings, suitable distribution and collecting ducts can be cut out in the cylinder, only to feed the coolant to and from the hollow bodies.