Eigenventilierter Rotor in einer elektrischen Maschine Die Erfindung betrifft einen nach dem Ventilator prinzip mindestens zum Teil eigenventilierten Rotor in einer elektrischen Maschine mit grossem Luftspalt zwischen Stator und Rotor, welcher mit vorwiegend axial verlaufenden Kühlkanälen versehen ist, deren Eintrittsöffnungen an der Stirnseite des Rotors liegen.
Es sind Rotoren bekannt, die zur Innenkühlung durch Eigenventilation mit Kühlkanälen versehen sind, deren Eintrittsöffnungen der Rotorachse näher liegen als die Austrittsöffnungen. Auf diese Weise wird nach dem Ventilatorprinzip Kühlgas gefördert. Je weiter Ein- und Austritt der Kanäle radial von einander entfernt sind, umso grösser wird der ent stehende Förderdruck. Zur Erzielung hoher Drücke, wie sie bei grossen Turborotoren von Synchron maschinen - besonders bei Verwendung von Hohl leitern - notwendig sind, werden die Eintrittsöffnun gen der Kühlkanäle so nahe der Rotorachse vorge sehen als es konstruktiv möglich ist. Die Austritts öffnungen sind dann im Zylindermantel des Rotors angeordnet.
Der so erzielte Förderdruck reicht oft für eine genügende Kühlung nicht aus und man ist genötigt, Ventilatoren oder Verdichter in Serie zu- zuschalten.
Zur Verbesserung der Eigenventilation sind die Kühlkanäle des erfindungsgemässen Rotors auf der Austrittsseite mit radialen Fortsätzen versehen, welche in den Luftspalt zwischen Stator und Rotor hinein ragen, so dass die Austrittsöffnungen ausserhalb des Zylindermantels des Rotors liegen.
In der Zeichnung sind beispielsweise Ausfüh rungen des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Fig. 1 zeigt den Rotor mit dem Prinzip der Kühlgasfüh- rung, Fig. 2 eine Seitenansicht dazu; Fig. 3 ist ein Schnitt nach 111-III in Fig. 7, Fig. 4 ein Schnitt nach IV-IV, Fig. 5 ein Schnitt nach V-V; aus den Fig. 6 und 7 sind die Kühlgasführungen für zwei verschiedene Wicklungsschichten zu ersehen;
Fig. 8 zeigt mehrere unterschiedliche Ausführungsformen der radialen Fort- säzte und in Fig. 9 ist eine abweichende Querschnitts form der radialen Fortsätze gezeigt.
Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich, tritt das Kühlgas an beiden Stirnseiten des Rotors 1 ein und durchströmt diesen in axialer Richtung, um unge fähr in der Mitte des Rotors wieder auszutreten. Die Eintrittsöffnungen sind bei 2 schematisch angedeutet. Die Kühlkanäle enden in radialen Fortsätzen 3, die über den Zylindermantel des Rotors hinaus in den Luftspalt 4 zwischen Rotor und Stator 5 hineinragen. Wenn das Kühlgas aus dem Rotor austritt, kann es entweder durch Kühlkanäle 6 im Stator oder, bei einer anderen Konstruktion, durch den Luftspalt 4 abströmen.
Die Wicklungen des Rotors bestehen aus Hohl leitern 7, die in bekannter Weise geschichtet sind und über die Zwischenlage 8 mit dem Rotorkeil 9 zusam- mengepresst und in den Nuten des Rotors gehalten werden (Fig. 4). Die Kanäle 10 für das durchströ mende Kühlgas sind die Hohlräume der Hohlleiter 7. Aus Fig. 7 ist die Kühlgasführung für die oberste Wicklungsschicht, aus Fig. 6 die der nächsten Schicht zu ersehen.
Kurz vor dem Austritt aus dem Rotor teilt sich der Kanal 10 hosenrohrartig und nun gehen zwei getrennte Kanäle 11 und 12 bis unter den radialen Fortsatz 3. Hier lenken sie radial um, so dass zwei Kanäle 13 und 14 entstehen, die aussen an dem hier vollen Teil 15 der Hohlleiter vorbeiführen (Fig. 5 und 8). Oberhalb der Hohlleiter vereinigen sich die Kanäle 13 und 14 und führen das Kühlgas durch die radialen Fortsätze ab.
Eine andere Möglichkeit der Kühlgasführung be steht darin, die Hohlleiter 7 (Fig. 4) mit gleichbleiben dem Querschnitt durch den ganzen Rotor zu führen und das Kühlgas durch radiale Bohrungen, die in den radialen Fortsätzen 3 (Fig. 2) enden, nach aussen zu leiten.
Zur Vermeidung von magnetischen Streuflüssen wird für die radialen Fortsätze antimagnetisches Ma terial verwendet. Sie können auf verschiedene Art hergestellt sein. Wie in den beiden Ausführungen Fig. 8, aussen, gezeigt, bestehen sie beispielsweise aus einem Rohr 16, das im Rotorkeil 9 eingebördelt ist. Sie können aber auch eingelötet oder in Anbetracht der hohen Fliehkräfte mit einem Teilstück 17 des Ro- torkeils aus einem Stück gearbeitet sein, wie es in den Fig. 3, 5 und in Fig. 8, Mitte, dargestellt ist.
Es kann von Vorteil sein, den radialen Fortsätzen eine aero dynamisch günstige Form 18 zu geben, um den Stromungswiderstand zu verkleinern (Fig. 9).
Auch für die Lage der Austrittsöffnungen 19 gibt es mehrere Möglichkeiten. Sie können nach aussen gerichtet sein, wie es in den Fig. 3, 5 und in Fig. 8, rechts, gezeigt ist, um den grösstmöglichen Förder- druck zu erhalten. In Fig. 8, Mitte, ist die Austritts öffnung 20 in axialer Richtung angeordnet, was dann von Vorteil ist, wenn das Kühlgas durch den Luftspalt 4 abgeführt wird. Legt man Wert auf möglichst kleinen Austrittswiderstand für den Kühlstrom, dann wird man gemäss Fig. 8, links, die Austrittsöffnung 21 entgegen der Drehrichtung vorsehen.
Durch die beschriebene Einrichtung, die einfacher ist als bekannte Einrichtungen mit gleicher Zielset zung, kann der erreichbare Förderdruck bis zu 25 Olc erhöht werden. Dadurch können Ventilatoren oder Verdichter, die sonst zur obesseren Ventilation in Serie zugeschaltet werden müssen, entweder ganz wegfallen oder zumindest kleinere Abmessungen er halten. In jenen Fällen, in denen bisher die Eigen- ventilation genügte, wird eine bessere Wärmeabfuhr erreicht, wodurch sich geringere Warmedehnungen ergeben oder eine bessere Rotorausnutzung möglich wird.
Self-ventilated rotor in an electrical machine The invention relates to a fan-based at least partially self-ventilated rotor in an electrical machine with a large air gap between the stator and rotor, which is provided with predominantly axially extending cooling ducts, the inlet openings of which are on the end face of the rotor.
Rotors are known which are provided with cooling channels for internal cooling by self-ventilation, the inlet openings of which are closer to the rotor axis than the outlet openings. In this way, cooling gas is conveyed according to the fan principle. The further the inlet and outlet of the channels are radially apart, the greater the resulting delivery pressure. To achieve high pressures, such as those required for large turbo rotors of synchronous machines - especially when using waveguides - the inlet openings of the cooling channels are provided as close to the rotor axis as is structurally possible. The outlet openings are then arranged in the cylinder jacket of the rotor.
The delivery pressure achieved in this way is often insufficient for sufficient cooling and it is necessary to connect fans or compressors in series.
To improve the self-ventilation, the cooling channels of the rotor according to the invention are provided on the outlet side with radial extensions which protrude into the air gap between the stator and rotor so that the outlet openings are outside the cylinder jacket of the rotor.
In the drawing, for example, Ausfüh ments of the subject invention are shown. 1 shows the rotor with the principle of cooling gas supply, FIG. 2 shows a side view thereof; Fig. 3 is a section along III-III in Fig. 7, Fig. 4 is a section along IV-IV, Fig. 5 is a section along V-V; the cooling gas ducts for two different winding layers can be seen from FIGS. 6 and 7;
FIG. 8 shows several different embodiments of the radial extensions and FIG. 9 shows a different cross-sectional shape of the radial extensions.
As can be seen from FIGS. 1 and 2, the cooling gas occurs at both end faces of the rotor 1 and flows through it in the axial direction in order to exit again approximately in the center of the rotor. The inlet openings are indicated schematically at 2. The cooling channels end in radial extensions 3 which protrude beyond the cylinder jacket of the rotor into the air gap 4 between the rotor and the stator 5. When the cooling gas emerges from the rotor, it can either flow out through cooling ducts 6 in the stator or, in the case of another construction, through the air gap 4.
The windings of the rotor consist of hollow conductors 7 which are layered in a known manner and are pressed together with the rotor wedge 9 via the intermediate layer 8 and held in the grooves of the rotor (FIG. 4). The channels 10 for the cooling gas flowing through are the cavities of the waveguides 7. From FIG. 7, the cooling gas guide for the topmost winding layer can be seen, from FIG. 6 that of the next layer.
Shortly before the exit from the rotor, the channel 10 divides like a trouser tube and now two separate channels 11 and 12 go to below the radial extension 3. Here they deflect radially, so that two channels 13 and 14 arise, the outside of the full one Pass part 15 of the waveguide (Fig. 5 and 8). The channels 13 and 14 unite above the waveguide and discharge the cooling gas through the radial extensions.
Another possibility of cooling gas is to guide the waveguide 7 (Fig. 4) with the same cross-section through the entire rotor and the cooling gas through radial bores that end in the radial extensions 3 (Fig. 2) to the outside conduct.
To avoid magnetic leakage flux, anti-magnetic material is used for the radial extensions. They can be made in different ways. As shown on the outside in the two embodiments in FIG. 8, they consist, for example, of a tube 16 which is crimped in the rotor wedge 9. However, they can also be soldered in or, in view of the high centrifugal forces, worked with a section 17 of the rotor wedge from one piece, as is shown in FIGS. 3, 5 and in FIG. 8, center.
It can be advantageous to give the radial extensions an aerodynamically favorable shape 18 in order to reduce the flow resistance (FIG. 9).
There are also several possibilities for the position of the outlet openings 19. They can be directed outwards, as shown in FIGS. 3, 5 and in FIG. 8, on the right, in order to obtain the greatest possible delivery pressure. In FIG. 8, center, the outlet opening 20 is arranged in the axial direction, which is advantageous when the cooling gas is discharged through the air gap 4. If value is placed on the smallest possible exit resistance for the cooling flow, then, as shown in FIG. 8, on the left, the exit opening 21 will be provided against the direction of rotation.
Through the described device, which is simpler than known devices with the same objective, the achievable delivery pressure can be increased up to 25 Olc. This means that fans or compressors, which otherwise have to be switched on in series for upper ventilation, can either be omitted entirely or at least smaller in size. In those cases in which self-ventilation was sufficient up to now, better heat dissipation is achieved, which results in lower thermal expansion or better utilization of the rotor.