CH362456A - Gas-cooled rotor for a synchronous machine with pronounced poles - Google Patents

Gas-cooled rotor for a synchronous machine with pronounced poles

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CH362456A
CH362456A CH6496258A CH6496258A CH362456A CH 362456 A CH362456 A CH 362456A CH 6496258 A CH6496258 A CH 6496258A CH 6496258 A CH6496258 A CH 6496258A CH 362456 A CH362456 A CH 362456A
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CH
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gas
conductors
channels
cooling
cooled
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CH6496258A
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German (de)
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Muellner Friedrich Ing Dr
Eugen Dipl Ing Wiedemann
Original Assignee
Bbc Brown Boveri & Cie
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00Details of windings
    • H02K3/04Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/18Windings for salient poles

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Windings For Motors And Generators (AREA)
  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)

Description

  

  Gasgekühlter Rotor für eine Synchronmaschine mit ausgeprägten Polen    Die     Wasserstoftkühlung    wurde schon vor einigen  Jahrzehnten     bel    rotierenden     Phasenschie-bern    mit  Erfolg angewendet. Der Wasserstoff ermöglichte vor  allem eine bemerkenswerte Herabsetzung der Ven  tilationsverluste. Gleichzeitig sind durch die günstigen  thermischen Eigenschaften des Wasserstoffes bessere       Kühlun-sverhältnisse    erreicht worden.

   Man hat ge  rade     bei        Phasenschieibern    die     Wass-,rstoffkühlung    zu  erst angewendet, weil man     b,--i    dieser Maschinenart  keine Wellendurchführung benötigt und infolgedes  sen das Problem der Abdichtung nicht besteht.  



  Durch die günstigen Ergebnisse bei Phasenschie  bern angeregt hat man später auch gasdichte Wellen  durchführungen entwickelt und konnte damit die       Wassersteffkühlung    mit Erfolg bei     Turbogencratoren     anwenden. Die ersten Maschinen dieser Art     arbDite-          ten    mit einem     Wasserstoffdrück    von<B>350</B> mm WS.  Bald -erkannte man aber,     dass    man den     Kühlrffekt        ste-i-          gern    konnte, wenn man den Druck auf<B>1</B>     atii.    und  noch mehr -erhöhte.

   In der schnellen Weiterentwick  lung dieser Technik ging man schliesslich dazu Über,  das Wasserstoffgas     dirckt    mit dem blanken Kupfer  in Berührung zu bringen; man erzielte damit,     insibe-          sondere    bei     Hohlleitcrwicklungen,    eine, abermalige  sehr erhebliche Steigerung der     Kühlwirkung,    und es  ,ergab sich die Möglichkeit einer weitergehenden  Erhöhung der Maschinenausnutzung.  



  Diese letzte Stufe der Entwicklung von Turbo  generatoren hat man bisher bei Phasenschiebern in       Einzelpolausführung    noch nicht angewendet, man  hat sich vielmehr damit     beignügt,    den     Gas#druck     gegenüber den ersten Ausführungen zu erhöhen. Die  beim Phasenschieber besonders stark belasteten     Pol-          radspulen    sind gewöhnlich mit blanker Kupferober  fläche ausgeführt; man kann also hier ohne weiteres  schon von direkter Kupferkühlung sprechen.

   Ein  Mangel     d.ieser    Kühlung der     Polra-dspulen    ist jedoch    ,darin begründet,     dass    die Oberfläche der Spulen im  Verhältnis zu den abzuführenden Verlusten relativ  klein ist.  



  Es liegt deshalb der Gedanke nahe, auch bei  Polwicklungen Hohlkupfer zu verwenden; dem stellen  sich aber einige Schwierigkeiten entgegen.  



  Zunächst ist festzuhalten,     dass    die Maschinen mit  Einzelpolen     in    der Drehzahl wesentlich niedriger lie  gen als der Turbogenerator und daher der in der       rad,ialen    Wicklungshöhe entstehende     zentrifu#gal#e     Druck nicht ausreicht, um die engen Kanäle mit  einer genügenden Gasmenge<B>je</B> Zeiteinheit zu ver  sorgen. Es ist deshalb notwendig, den. Gasdruck  durch besonders konstruktive Massnahmen zu erhöhen.  



  Eine weitere Schwierigkeit bei der Verwendung  von innengekühlten Leitern besteht darin,     dass    die       üblicherweise    angewendeten Kupferquerschnitte der  hochkant gewickelten Spulen die Anordnung von  Hohlkanälen nicht ohne weiteres ermöglichen. Die  Leiter sind meistens breit und flach,     z.B.    70 X 4     MM2,     ,und Hohlkanäle können in einem Leiter mit solchen  Dimensionen nicht hergestellt werden.  



  Diese Nachteile werden durch die Erfindung be  hoben. Die Erfindung betrifft einen gasgekühlten  Rotor für eine Synchronmaschine mit ausgeprägten  Polen.  



  Die Erfindung besteht darin,     dass    die     Polspulen-          leiter    längsseits der Pole     achsparallele    Kühlkanäle  aufweisen, welche     inder        Rotormitte    in in Umfangs  richtung weisende Querkanäle Übergehen, derart,       dass    Kühlgas, welches -an den Stirnseiten der Pole  unter Überdruck in die     Kühlkanäle    eintritt, in der  Mitte der Längsseite der     Polsp#ulenleiter    aus den       Qu,erkanälen    wieder austritt und so eine Kühlung des  Rotors erreicht wird.  



  Als     Kühlkkanäle    können bei grösseren Leiterquer  schnitten vom Kupfer allseitig umschlossene Hohl-           kanäle    in Frage kommen. Bei kleineren Querschnit  ten, wo Leiter mit Hohlkanälen aus Preisgründen  nicht mehr angewendet werden, dafür aber breite     jand     flache Leiter mit     Längsrillen    zur Anwendung<B>kom-</B>  men.  



  Die Erfindung wird anhand eines     Ausführungs-          beispieles    näher erläutert. Die Figuren zeigen folgen  des:       Fig.   <B>1</B>     die    Ansicht eines     Poles    mit der Erreger  wicklung;       Fig.    2 zeigt einen Pol in Richtung der     Rotor-          achse-    in Ansicht und Schnitt.  



       Fig.   <B>3</B> zeigt einen Schnitt in einer     Windungs-,bene,          Fi,g.    4 den Schnitt durch zwei     Längsleiter.     



  In den     Fig.   <B>1</B> und 2 bedeutet<B>1</B> den     Rotor-          körper    einer     wasserstoff-gasgekühlten    Synchron  maschine; 2 ist ein ausgeprägter Pol.     Auf    dem Pol  ist die     Erregerwicklung   <B>3</B> angebracht. Die längsseits  der Pole liegenden Leiter 4 sind flach und von z. B.  70X4     MM2    Querschnitt. Diese Leiter weisen     achs-          parallele        Kühlkanäle   <B>5</B> auf.

   In der     Rotormitte        M-M     gehen diese Kanäle von der Stirnseite herkommend  in einem Bogen in die Querkanäle 5a über. Diese       Que,rkanäle    führen in der Umfangsrichtung an der  Längsseite ins Freie. Durch diese Kanäle wird er  reicht,     dass    das Kühlgas, welches an den Stirnseiten  <B>6</B> unter Überdruck in die Kanäle eintritt, in der Mitte       M-M        d--r    Längsseiten der     Polspulenleiter    aus den  Querkanälen 5a wieder austritt. Dabei erfolgt eine  intensive Abkühlung der     Polspulenleiter    4.

   Zur Er  zeugung eines     überdruckes    an der Stirnseite<B>6</B> der  Pole sind Verschalungen<B>7</B> vorgesehen. Diese Ver  schalungen sind radial liegende Gaszuführungen, die  mit Abdichtungen<B>8</B> gegen die Aussenfläche der     Er-          regerw-icklung   <B>3</B> und die Polklappen 2a abgedichtet  sind. Unter der     Zentrifugalwirkung    der Rotation tritt  das Kühlgas durch die einwärts liegenden Öffnungen  7a der Verschalungen ein und strömt unter gleich  zeitiger Verdichtung infolge der     Zentrifugalkraftwir-          kung    in den     stirnseitigenRaum   <B>6</B> der Verschalungen       ein.     



  Um eine hohe     Zentrifugalwirkung    zu erreichen,       muss    die Länge r der Verschalungen grösser sein als  die Höhe der Erregerspule. Vom Raum<B>6</B> strömt das  Gas in die Rillen<B>5</B> ein. Die längs der Spule liegenden       Stableiter    4 sind an den Stirnseiten über     ein-gelötete     gerade Querleiter<B>9</B> zu Windungen verbunden. Eine  Windung der     Polspulenwicklung    besteht somit aus  <B>je</B> vier durch     Lötung    verbundene Leiter<B>9 +</B> 4<B>+ 9</B>     +    4.  



  Die     längsseitigam    Pol liegenden Leiterteile weisen  die     Luftführungsrillen    auf, während die     stirnseitigen     Leiter vom umgebenden Kühlgas an der Oberfläche  gekühlt werden. Die längs liegenden Leiter geben  ihre Verlustwärme an das durch die Kanäle unter  überdruck strömende Gas ab.  



  Zur Erhöhung der     Gasdurchströmgeschwindigkeit     können in der Mitte     M-M    der längsseits liegenden  Leiter gasdichte und radial liegende zusätzliche Ver  schalungen angebracht werden. In der     Fig.   <B>3</B> sind  solche Verschalungen<B>10</B> dargestellt; sie sind gegen    die Wand der Erregerwicklung abgedichtet. Durch  diese Verschalungen wird eine zusätzliche, radial  gerichtete Strömung des aus den Rillen der Leiter  austretenden Kühlgases an die     Rotoroberfläche    erhal  ten. Unter der Wirkung der Zentrifugalkraft wird  dadurch die     Kühlgasströmung    durch die Kanäle ver  stärkt.  



  Infolge der Luftführung durch     die    Leiter und  unter der Wirkung der     Zentrifugalkräfte    ergibt sich  eine intensive zusätzliche Abkühlung der Erreger  wicklung, was besonders bei wasserstoffgekühlten       Synchronphasenschiebern    mit ausgeprägten Polen von  besonderem Vorteil ist. Es kann damit eine bei sol  chen Maschinen erforderliche erhöhte Erregung  erreicht werden.



  Gas-cooled rotor for a synchronous machine with pronounced poles Hydrogen cooling was successfully used for rotating phase shifters a few decades ago. Above all, the hydrogen enabled a remarkable reduction in ventilation losses. At the same time, better cooling conditions have been achieved thanks to the favorable thermal properties of hydrogen.

   In the case of phase shifters in particular, water cooling was first used because there is no need for a shaft feedthrough in this type of machine and, as a result, the problem of sealing does not exist.



  Stimulated by the favorable results with phase shifters, gas-tight shaft feedthroughs were later developed and the water stiff cooling was thus successfully used in turbo generators. The first machines of this type worked with a hydrogen pressure of <B> 350 </B> mm WS. Soon, however, it was recognized that the cooling effect could be increased by applying pressure to <B> 1 </B> atii. and even more - increased.

   In the rapid further development of this technology, the transition was finally made to bringing the hydrogen gas directly into contact with the bare copper; In this way, especially in the case of waveguide windings, another very considerable increase in the cooling effect was achieved, and there was the possibility of a further increase in machine utilization.



  This last stage in the development of turbo generators has not yet been applied to phase shifters with a single pole design. Instead, it was decided to increase the gas pressure compared to the first designs. The pole wheel coils, which are particularly heavily loaded in the phase shifter, are usually designed with a bare copper surface; one can speak of direct copper cooling here without further ado.

   A lack of this cooling of the pole coils is due to the fact that the surface of the coils is relatively small in relation to the losses to be dissipated.



  It therefore suggests itself to use hollow copper for pole windings as well; however, there are some difficulties to counter this.



  First of all, it should be noted that the speed of the machines with single poles is significantly lower than that of the turbo generator and therefore the centrifugal pressure arising in the radial winding height is not sufficient to pass the narrow channels with a sufficient quantity of gas </B> to provide time unit. It is therefore necessary to use the. To increase the gas pressure through special design measures.



  Another difficulty with the use of internally cooled conductors is that the copper cross-sections usually used for the edgewise wound coils do not readily allow the arrangement of hollow channels. The ladders are mostly wide and flat, e.g. 70 X 4 MM2,, and hollow channels cannot be made in a conductor with such dimensions.



  These disadvantages are eliminated by the invention. The invention relates to a gas-cooled rotor for a synchronous machine with pronounced poles.



  The invention consists in that the pole coil conductors have axially parallel cooling channels alongside the poles, which merge in the middle of the rotor into transverse channels pointing in the circumferential direction, such that cooling gas, which enters the cooling channels at the end faces of the poles under excess pressure, in the middle the long side of the pole coil conductor emerges from the transverse ducts, thus cooling the rotor.



  Hollow channels enclosed on all sides by copper can be used as cooling channels for larger conductor cross-sections. For smaller cross-sections, where conductors with hollow channels are no longer used for price reasons, but wide, flat conductors with longitudinal grooves are used.



  The invention is explained in more detail using an exemplary embodiment. The figures show the following: Fig. 1 shows the view of a pole with the exciter winding; Fig. 2 shows a pole in the direction of the rotor axis in view and section.



       FIG. 3 shows a section in a turn, plane, FIG. 4 the section through two longitudinal conductors.



  In FIGS. 1 and 2, <B> 1 </B> denotes the rotor body of a hydrogen-gas-cooled synchronous machine; 2 is a distinct pole. The field winding <B> 3 </B> is attached to the pole. The lying alongside the poles conductors 4 are flat and of z. B. 70X4 MM2 cross-section. These conductors have axially parallel cooling channels <B> 5 </B>.

   In the middle of the rotor M-M these channels, coming from the end face, merge in an arc into the transverse channels 5a. These cross channels lead in the circumferential direction on the long side to the outside. Through these channels it is sufficient that the cooling gas, which enters the channels at the end faces 6 under excess pressure, emerges again from the transverse channels 5a in the middle M-M d - the longitudinal sides of the pole coil conductors. The pole coil conductors 4 are intensively cooled in the process.

   In order to generate an overpressure on the end face <B> 6 </B> of the poles, claddings <B> 7 </B> are provided. These casings are radially positioned gas feeds which are sealed with seals <B> 8 </B> against the outer surface of the exciter winding <B> 3 </B> and the pole flaps 2a. Under the centrifugal effect of the rotation, the cooling gas enters through the inwardly located openings 7a of the casings and flows into the frontal space 6 of the casings with simultaneous compression due to the effect of centrifugal force.



  In order to achieve a high centrifugal effect, the length r of the casings must be greater than the height of the excitation coil. The gas flows from space <B> 6 </B> into grooves <B> 5 </B>. The bar conductors 4 lying along the coil are connected to form windings at the end faces via soldered-in straight transverse conductors 9. One turn of the pole coil winding consists of <B> each </B> four conductors <B> 9 + </B> 4 <B> + 9 </B> + 4 connected by soldering.



  The conductor parts lying alongside the pole have the air guiding grooves, while the face conductors are cooled on the surface by the surrounding cooling gas. The lengthways conductors give off their heat loss to the gas flowing through the channels under excess pressure.



  To increase the gas flow rate, additional, gas-tight and radially lying conductors can be attached in the middle M-M of the conductors lying alongside. Such casings <B> 10 </B> are shown in FIG. 3; they are sealed against the wall of the field winding. Through these casings, an additional, radially directed flow of the cooling gas emerging from the grooves of the conductors to the rotor surface is obtained. Under the effect of centrifugal force, the cooling gas flow through the channels is strengthened.



  As a result of the air flow through the ladder and under the effect of centrifugal forces, there is intensive additional cooling of the exciter development, which is particularly advantageous in the case of hydrogen-cooled synchronous phase shifters with pronounced poles. An increased excitation required in such machines can thus be achieved.

 

Claims (1)

PATENTANSPRUCH Gasgekühlter Rotor für eine Synchromnaschine mit ausgeprägten Polen, dadurch gekennzeichnet, dass die Polspulenleiter längsseits der Pole achsparallele Kühlkanäle aufweisen, welche in der Rotormitte in in Umfangsrichtung weisende Q#uerk-anäle übergehen, so,dass Kühlgas, welches an den Stirnseiten der Pole unter überdruck in die Kühlkanäle eintritt, PATENT CLAIM Gas-cooled rotor for a synchronous machine with pronounced poles, characterized in that the pole coil conductors have axially parallel cooling channels alongside the poles, which in the middle of the rotor merge into circumferential Q # uerk-channels, so that cooling gas, which at the end faces of the poles below excess pressure enters the cooling ducts, in der Mitte der Längsseite der Polspulenleiter aus den Querkanälen wieder austritt Bund so eine Kühlung des Rotors erreicht wird. UNTERANSPRüCHE <B>1.</B> Gasgekühlter Rotor nach Patentansprach, da durch gekennzeichnet, dass die Leiter allseitig vom Kupfer umschlossene Hohlkanäle aufweisen. 2. Gasgekühlter Rotor nach Patentanspruch, da- .durch gekennzeichnet, dass die Leiter Längsrillen auf weisen. In the middle of the longitudinal side of the pole coil conductor from the transverse channels, the bund emerges again so that the rotor is cooled. SUBClaims <B> 1. </B> Gas-cooled rotor according to the patent claim, characterized in that the conductors have hollow channels surrounded on all sides by copper. 2. Gas-cooled rotor according to claim, characterized in that the conductors have longitudinal grooves. <B>3.</B> Gasgekühlter Rotor nach Patentanspruch, da- .durch gekennzeichnet, dass an den Stirnseiten der Pole gasdichte, radial liegende Verschalungen vorge sehen sind, welche bestimmt sind, eine radial gerich tete Führungdes Kühlgases und Umlenkung dessel ben in die Kühlkanäle zu bewerkstelligen, wobei die radiale Länge grösser als die Wicklungshöhe ist. 4. Gasgekühlter Rotor nach Patentanspruch, da- ,durch gekennzeichnet, dass die einzelnen Windungen der Polspulen aus vier zusammengelöteten Leitertei len besteht, wobei die längsseits am Pol liegenden Leiterteile die Kühlkanäle aufweisen. <B> 3. </B> Gas-cooled rotor according to claim, characterized in that gas-tight, radially lying casings are provided on the end faces of the poles, which are intended to guide the cooling gas and deflect it in a radially direction to accomplish the cooling channels, the radial length being greater than the winding height. 4. Gas-cooled rotor according to claim, characterized in that the individual turns of the pole coils consists of four Leitertei len soldered together, the conductor parts lying alongside the pole having the cooling channels. <B>5.</B> Gasgekühlter Rotor nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass in der Mitte der längs seits liegenden Leiter gasdichte, rad,ial liegende Ver schalungen vorgesehen sind, welche eine radial ge richtete Führung des aus den Kanälen der Leiter aus strömenden Kühlgases an die Rotoroberfläche herbei führen. #6. Gasgekühlter Rotor nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass <B>je</B> zwei aufeinanderlie- gende Leiter Rillen aufweisen, welche spiegelbildlich zueinander liegen. <B> 5. </B> Gas-cooled rotor according to claim, characterized in that gas-tight, radially lying ver formworks are provided in the middle of the longitudinally lying conductors, which guide the radially ge from the channels of the conductors from flowing cooling gas to the rotor surface. # 6. Gas-cooled rotor according to claim, characterized in that <B> each </B> two superposed conductors have grooves which are mirror images of one another.
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