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PATENTANSPRUCH
Rotor einer elektrischen Maschine mit direkter Flüssigkeitskühlung, der Pole und eine aus Hohlleitern, die hydraulische Kreise bilden und hydraulisch parallel einem Zuleitungssystem der Kühlflüssigkeit zuzuschalten bestimmt sind, ausgeführte Wicklung enthält, wobei in jedem hydraulischen Kreis der Leiter zum Abfluss der Kühlflüssigkeit in einem grösseren Abstand von der Rotorachse als der Leiter für die Zuführung der Kühlflüssigkeit angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (6) für den Abfluss der Kühlflüssigkeit in jedem hydraulischen Kreis mit einem gebogenen Endstück (17) versehen ist, das in bezug auf die Achse dieses Leiters (6) drehbar angeordnet ist.
Die Erfindung betrifft einen Rotor einer elektrischen Maschine mit direkter Flüssigkeitskühlung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
Besonders vorteilhaft kann die Erfindung in Turbogeneratoren mit Walzenpolen verwendet werden.
Aus der GB-PS 1 416765 ist ein Rotor einer elektrischen Maschine mit direkter Flüssigkeitskühlung bekannt, der einen Rotorkörper mit Walzenpolen und eine aus in entsprechenden Nuten des Rotorkörpers angeordneten und elektrisch in Reihe geschalteten Spulen bestehende Wicklung aufweist. Die Spulen bestehen aus Hohlleitern, die von der Kühlflüssigkeit durchflossen werden, wobei jede Spule einen hydraulischen Kreis bildet.
In jedem hydraulischen Kreis liegt die Zuleitung für die Kühlflüssigkeit innen und die Ableitung aussen, d.h., dass die Ableitung von der Rotorachse in einem grösseren Abstand als die Zuleitung angeordnet ist. Die Zuleitungen und die Ableitungen sind mittels von mit diesen Leistungen gleichachsigen Metallrohren mit einer gemeinsamen Zuleitungsanordnung und einer gemeinsamen Ableitungsanordnung verbunden, so dass sämtliche hydraulischen Kreise parallelgeschaltet sind.
Bekanntlich ist die abgeführte Wärmemenge und damit die Kühlleistung des Rotors vom Durchsatz der Kühlflüssigkeit abhängig. Der Durchsatz seinerseits ist von der Druckhöhe und vom Widerstand des hydraulischen Kreises gegenüber dem Flüssigkeitsstrom abhängig. Die Druckhöhe hängt von der Differenz zwischen dem Niveau des Abflusses und des Zuflusses der Kühlflüssigkeit in bezug auf die Rotorachse ab, während der Widerstand gegenüber dem Kühlflüssigkeitsstrom hauptsächlich durch den Querschnitt der Kühlkanäle des hydraulischen Kreises und durch dessen Gesamtlänge bestimmt wird.
Da in dem vorstehend beschriebenen bekannten Rotor die Zuleitungen und die Ableitungen aller hydraulischen Kreise in einem jeweils gleichen Abstand von der Rotorachse angeordnet sind, ist die Druckhöhe in allen hydraulischen Kreisen gleich.
Der Durchsatz der Kühlflüssigkeit durch die symmetrisch angeordneten Kreise kann jedoch wegen der Streuung der Durchmesser die Kühlkanäle in den Leitern der hydraulischen Kreise, dem ungleichen Abstand von den Spulen bis zur Rotoroberfläche und der verschiedenen Stärke der Spulenleiterisolation unterschiedlich sein. Die Folge ist eine unsymmetrische Kühlung des Rotors, welche in Abhängigkeit von der Belastung der elektrischen Maschine zu unsymmetrisch verteilten Wärmestauungen im Rotor führen kann. Die Folge einer solchen unsymmetrischen Wärmebelastung ist eine Unsymmetrie des Rotors und eine daraus resultierende Unwucht. Die Unwucht führt bekanntlich zu Schwingungen der Rotorwelle in den Lagern, wodurch die Betriebssicherheit der elektrischen Maschine beeinträchtigt wird.
Eine Beseitigung einer solchen Unwucht durch Ausgleichsgewichte ist wegen der wechselnden Belastung nicht möglich.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Rotor der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei welchem sich einseitige Wärmestauungen vermeiden lassen.
Die gestellte Aufgabe wird bei dem Rotor der eingangs genannten Art erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs angegebenen Merkmale gelöst.
Durch eine Verdrehung des gebogenen Endstückes des Leiters zum Abfluss der Kühlflüssigkeit aus demjenigen hydraulischen Kreis, in dessen Bereich eine abweichende Erwärmung festgestellt wird, kann der Abstand von der Abflussöffnung des Endstückes bis zur Rotorachse geändert werden, wodurch der Durchsatz der Kühlflüssigkeit in diesem hydraulischen Kreis beeinflussbar ist, um die ungleichmässige Wärmeentwicklung zu vermeiden. Auf diese Art lässt sich jeder einzelne hydraulische Kreis beeinflussen, so dass ein Abgleich sämtlicher hydraulischen Kreise aufeinander möglich ist. Die daraus resultierende gleichmässige Erwärmung aller hydraulischen Kreise gewährleistet eine gleichmässige Wärmeverteilung und damit eine Erhöhung der Betriebssicherheit der elektrischen Maschine.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen Rotor einer elektrischen Maschine mit direkter Flüssigkeitskühlung in einer Ansicht von der Stirnseite auf das Zuleitungssystem der Kühlflüssigkeit, teilweise im Querschnitt,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch den stirnseitigen Teil des in der Fig. 1 dargestellten Rotors im Bereich der Zu- und Ableitungen eines hydraulischen Kreises und
Fig. 3 das in der Fig. 2 ersichtliche gebogene Endstück in einem vergrösserten Massstab in Richtung des Pfeiles A.
Aus der Fig. 1 ist ersichtlich, dass der Rotor einen Rotorkörper mit Walzenpolen 1 und eine Wicklung aufweist, die aus elektrisch in Reihe geschalteten Spulen 2 besteht. Die Spulen 2 sind in Nuten des Rotorkörpers eingelegt und gegen radiale Verschiebungen durch Nutkeile 3 gesichert. Die Spulen 2 weisen Hohlleiter 4,5 und 6 auf, deren Kanäle zum Durchfluss einer Kühlflüssigkeit bestimmt sind. Die Hohlleiter 4,5 und 6 bilden hydraulische Kreise, von denen die Hohlleiter 5 für die Zuführung der Kühlflüssigkeit in den hydraulischen Kreis und die Hohlleiter 6 für den Abfluss der Kühlflüssigkeit aus dem hydraulichen Kreis bestimmt sind. Die Abfluss-Hohlleiter 6 sind von der Roktorachse in einem grösseren Abstand als die Zufluss-Hohlleiter 5 angeordnet.
Obwohl im dargestellten Ausführungsbeispiel durch die Hohlleiter 4 jeweils einer Spule 2 ein hydraulischer Kreis gebildet ist, ist es dem Fachmann des vorliegenden Fachgebietes bekannt, dass auch eine andere Aufteilung möglich ist. So kann beispielsweise ein hydraulischer Kreis die Hohlleiter von mehreren Spulen bzw. von einem Teil der Hohlleiter einer Spule umfassen. Es ist dabei nur erforderlich, dass die Konfiguration der symmetrisch in bezug auf die Querachse q-q der Pole 1 angeordneten hydraulischen Kreise untereinander gleich ist. In der Fig. 2 ist der Längsschnitt durch den Stirnteil des Rotors dar gestellt. Der Leiter 5 für die Zuführung der Flüssigkeit und der Leiter 6 zum Abfluss der Flüssigkeit sind axial aus dem Bereich der Wickelköpfe der durch Isolierzwischenlagen 7 voneinander getrennten Spule 2 verlegt.
Die Wickelköpfe der Spulen 2 und die Leiter 5,6 werden gegen Radialverschiebungen durch den Bandagenring 8 gesichert
An die Leiter 5 für die Zuführung der Kühlflüssigkeit sind Metallrohre 9 angeschlossen, die in den in die zylindrischen Bohrungen eines Stützrings 11 eingesetzten Isolierrohren 10 befestigt werden.
An die Leiter 6 zum Abfluss der Kühlflüssigkeit sind Metallrohre 12 angeschlossen, die in den in die zylindrischen Bohrungen des Stützringes 11 eingesetzten Isolierrohren 13 befestigt sind. Am Stützring 11 ist ein Abflussring 14 mittels einer Schraubenverbindung 15 (Fig. 1) befestigt. Zylindrische Boh
rungen 16 (Fig. 2) des Abflussrings 14 sind koaxial mit den Rohren 12, 13 und den Leitern 6 zum Abfluss der Flüssigkeit ausgeführt. Gebogene Endstücke 17 sind in die zylindrischen Bohrungen 16 des Abflussrings 14 in bezug auf die Achse des entsprechenden Leiters 6 zum Abfluss der Flüssigkeit, wie mit dem Pfeil in Fig. 3 angedeutet, drehbar eingesetzt und mit Muttern 18 gesichert.
Die hydraulischen Kreise sind über die gebogenen Endstücke 17 (Fig. 2) und die Isolierrohre 10 hydraulisch parallei an das Zuleit-ungssystem der Kühlflüssigkeit angeschlossen, das ein Gehäuse 19 des Zuleitungssystems der Kühlflüssigkeit mit einem in ihm hermetisch befestigtem Ring 20, den durch den Stützring 11 und einen Formring 22 gebildeten, zur Rotorwelle 21 hin offenen Sammler und den Abflussring 14 einbezieht.
Kanäle 23 im Ring 20 sind für die Zuleitung der Kühlflüssigkeit in den Formring 22 bestimmt.
Ein Ringvorsprung 24 dichtet das Gehäuse 19 des Zuleitungssystems der Kühlflüssigkeit von der umgebenden Luft seitens der Rotorwelle 21 ab.
Beim Betrieb der den Rotor enthaltenden elektrischen Maschine tritt die Kühlflüssigkeit durch die Kanäle 23 des Rings 20 in den Formring 22 des Sammlers ein und fliesst infolge der Rotation des Rotors durch die Rohre 9, 10 in den Leiter 5 für die Zuführung der Kühlflüssigkeit, wobei die Zentrifugalkraft die Flüssigkeit über die Hohlleiter 4 (Fig. 1) durch die hydraulischen Kreise durchströmt. Die Flüssigkeit fliesst durch die Leiter 6 (Fig. 2), die Rohre 13, 12 und die gebogenen Endstücke 17 auf die Innenfläche des Abflussrings 14 ab und gelangt über diese Innenfläche in das Gehäuse 19 des Zuleitungssystems der Kühlflüssigkeit.
Die Druckhöhe der Flüssigkeit in den hydraulischen Kreisen wird durch die Differenz zwischen dem Abstand von den Austrittsöffnungen der gebogenen Endstücke 17 bis zur Rotorachse und dem Abstand von den Eintrittsöffnungen der Rohre 10 bis zur Rotorachse gewährleistet. Die Durchflussmenge durch die hydraulischen Kreise hängt von der Druckhöhe der Flüssigkeit und vom Widerstand dieser Kreise ab.
Im Idealfall, d.h., bei einer vollständigen Identität jedes Paars der hydraulischen Kreise, die symmetrisch in bezug auf die Querachse q (Fig. 1) des Rotors angeordnet sind, wird der Durchsatz der Flüssigkeit in jedem Paar der symmetrischen Kreise gleich sein, und der Rotor wird symmetrisch gekühlt.
Vor dem Anfahren der elektrischen Maschine werden sämtliche gebogene Endstücke 17 in Tangentialrichtung, so wie das durch die gestrichelte Linie in Fig. 3 angedeutet ist, eingestellt. Wenn während des Betriebs der elektrischen Maschine Unterschiede in der Erwärmung des Rotors festgestellt werden, z.B. infolge einer Übertemperatur des Rotors im Anordnungsbereich des hydraulischen Kreises, der durch die kleinste, dem Pol 1 (Fig.
1) am nächsten liegende Spule 2 gebildet ist, muss das gebogene Endstück 17 des Leiters zum Abfluss der Flüssigkeit im symmetrischen hydraulischen Kreis, der durch die kleinste, dem (nicht dargestellten) gegenüberliegenden Pol am nächsten liegende Spule 2 gebildet ist, so nach unten verdreht werden, dass der Abstand von dessen Austrittsöffnung bis zur Rotorachse sich bis auf einen solchen Wert ändert, bei dem die Änderung des Flüssigkeitsdurchsatzes in diesem hydraulischen Kreis die Wärmeungleichheit beseitigt. Danach soll das Endstück 17 in dieser Stellung durch die Mutter 18 (Fig.
3) gesichert werden.
Der erfindungsgemässe Rotor ermöglicht mittels des dreh- baren, geborgenen Endstückes eine Regelung des Kühlflüssigkeitsdurchsatzes bei Prüfungen und unter Betriebsbedingungen der elektrischen Maschine, dabei ist der Regelbereich des Flüssigkeitsdurchsatzes ausreichend zur Beseitigung der Wärmeunwucht bei typischen Betriebsbedingungen der elektrischen Maschine.
Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ausschliesslich zum Zweck einer Illustrierung der Erfindung angeführt und begrenzt ihren Umfang nicht. Es sind andere Ausführungsvarianten der Erfindung möglich, insbesondere kann der Rotor konstruktionsmässig von dem oben beschriebenen abweichen, er kann z.B. Schenkelpole aufweisen. Die hydraulischen Kreise können nicht durch die Erregerwicklung, sondern durch die Dämpferwicklung des Rotors gebildet sein. Der erfindungsgemässe Rotor kann im Zusammenhang mit verschiedenartigen, von dem oben beschriebenem abweichenden Zuleitungssystemen der Kühlflüssigkeit verwendet werden, er kann z.B. ein Zuleitungssystem der Kühlflüssigkeit aufweisen, in dem die Kühlflüssigkeit durch entsprechende Kanäle in der Rotorwelle zugeleitet wird.
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PATENT CLAIM
Rotor of an electrical machine with direct liquid cooling, the poles and a winding made of waveguides, which form hydraulic circuits and are intended to be connected hydraulically in parallel to a supply system of the cooling liquid, contains, in each hydraulic circuit the conductor for draining the cooling liquid at a greater distance from the rotor axis is arranged as the conductor for the supply of the cooling liquid, characterized in that the conductor (6) for the outflow of the cooling liquid is provided in each hydraulic circuit with a bent end piece (17) which is in relation to the axis of this conductor ( 6) is rotatably arranged.
The invention relates to a rotor of an electrical machine with direct liquid cooling according to the preamble of the claim.
The invention can be used particularly advantageously in turbogenerators with roller poles.
From GB-PS 1 416765 a rotor of an electrical machine with direct liquid cooling is known, which has a rotor body with roller poles and a coil consisting of coils arranged in corresponding grooves of the rotor body and electrically connected in series. The coils consist of waveguides through which the cooling liquid flows, with each coil forming a hydraulic circuit.
In each hydraulic circuit, the supply line for the coolant lies on the inside and the discharge line on the outside, i.e. the discharge line from the rotor axis is located at a greater distance than the supply line. The feed lines and the discharge lines are connected by means of metal pipes coaxial with these outputs to a common feed line arrangement and a common discharge line arrangement, so that all hydraulic circuits are connected in parallel.
As is known, the amount of heat dissipated and thus the cooling capacity of the rotor is dependent on the throughput of the cooling liquid. The throughput itself depends on the pressure head and the resistance of the hydraulic circuit to the liquid flow. The pressure head depends on the difference between the level of the outflow and the inflow of the coolant with respect to the rotor axis, while the resistance to the coolant flow is mainly determined by the cross section of the cooling channels of the hydraulic circuit and by its total length.
Since the feed lines and the discharge lines of all hydraulic circuits are arranged at the same distance from the rotor axis in the known rotor described above, the pressure level is the same in all hydraulic circuits.
However, the throughput of the cooling liquid through the symmetrically arranged circles can be different because of the scatter in the diameter of the cooling channels in the conductors of the hydraulic circuits, the unequal distance from the coils to the rotor surface and the different thickness of the coil conductor insulation. The result is asymmetrical cooling of the rotor, which, depending on the load on the electrical machine, can lead to asymmetrically distributed heat build-ups in the rotor. The consequence of such an asymmetrical thermal load is an asymmetry of the rotor and a resulting imbalance. As is well known, the unbalance leads to vibrations of the rotor shaft in the bearings, as a result of which the operational safety of the electrical machine is impaired.
Due to the changing load, it is not possible to remove such an imbalance by means of counterweights.
The invention is therefore based on the object of developing a rotor of the type mentioned at the outset in which one-sided heat build-up can be avoided.
In the rotor of the type mentioned at the outset, the object is achieved according to the invention by the features specified in the characterizing part of the claim.
By rotating the bent end piece of the conductor for the outflow of the cooling liquid from the hydraulic circuit in the area in which a deviating heating is determined, the distance from the outflow opening of the end piece to the rotor axis can be changed, whereby the throughput of the cooling liquid in this hydraulic circuit can be influenced is to avoid the uneven heat development. In this way, each individual hydraulic circuit can be influenced, so that a comparison of all hydraulic circuits with each other is possible. The resulting uniform heating of all hydraulic circuits ensures an even heat distribution and thus an increase in the operational safety of the electrical machine.
An exemplary embodiment of the invention is explained below with reference to the drawings. It shows:
1 is a rotor of an electrical machine with direct liquid cooling in a view from the front of the supply system of the cooling liquid, partially in cross section,
Fig. 2 shows a longitudinal section through the front part of the rotor shown in Fig. 1 in the area of the supply and discharge lines of a hydraulic circuit and
3 shows the curved end piece shown in FIG. 2 on an enlarged scale in the direction of arrow A.
It can be seen from FIG. 1 that the rotor has a rotor body with roller poles 1 and a winding which consists of coils 2 electrically connected in series. The coils 2 are inserted in the grooves of the rotor body and secured against radial displacements by means of slot wedges 3. The coils 2 have waveguides 4, 5 and 6, the channels of which are intended for the flow of a cooling liquid. The waveguides 4, 5 and 6 form hydraulic circuits, of which the waveguides 5 are intended for the supply of the cooling liquid into the hydraulic circuit and the waveguides 6 for the outflow of the cooling liquid from the hydraulic circuit. The outflow waveguides 6 are arranged at a greater distance from the rotor axis than the inflow waveguides 5.
Although a hydraulic circuit is formed in the exemplary embodiment shown by the waveguide 4 of each coil 2, it is known to the person skilled in the art in the present field that a different division is also possible. For example, a hydraulic circuit can include the waveguide of several coils or a part of the waveguide of a coil. It is only necessary that the configuration of the hydraulic circuits arranged symmetrically with respect to the transverse axis q-q of the poles 1 is identical to one another. In Fig. 2, the longitudinal section through the front part of the rotor is provided. The conductor 5 for the supply of the liquid and the conductor 6 for the outflow of the liquid are laid axially from the area of the winding heads of the coil 2 separated from one another by insulating intermediate layers 7.
The winding heads of the coils 2 and the conductors 5, 6 are secured against radial displacements by the bandage ring 8
Metal pipes 9 are connected to the conductors 5 for supplying the cooling liquid and are fastened in the insulating pipes 10 inserted into the cylindrical bores of a support ring 11.
Metal pipes 12 are connected to the conductors 6 for the outflow of the cooling liquid and are fastened in the insulating pipes 13 inserted into the cylindrical bores of the support ring 11. A drain ring 14 is fastened to the support ring 11 by means of a screw connection 15 (FIG. 1). Cylindrical boh
stanchions 16 (Fig. 2) of the drain ring 14 are coaxial with the tubes 12, 13 and the conductors 6 to drain the liquid. Curved end pieces 17 are rotatably inserted in the cylindrical bores 16 of the drain ring 14 with respect to the axis of the corresponding conductor 6 for the drain of the liquid, as indicated by the arrow in FIG. 3, and secured with nuts 18.
The hydraulic circuits are hydraulically connected in parallel via the curved end pieces 17 (FIG. 2) and the insulating tubes 10 to the supply system of the coolant, which is a housing 19 of the supply system of the coolant with a ring 20 hermetically fastened in it, through the support ring 11 and a shaped ring 22 formed, open towards the rotor shaft 21 and includes the drain ring 14.
Channels 23 in the ring 20 are intended for the supply of the cooling liquid into the mold ring 22.
An annular projection 24 seals the housing 19 of the supply system of the cooling liquid from the surrounding air on the part of the rotor shaft 21.
During operation of the electrical machine containing the rotor, the cooling liquid enters through the channels 23 of the ring 20 into the shaped ring 22 of the collector and flows as a result of the rotation of the rotor through the pipes 9, 10 into the conductor 5 for the supply of the cooling liquid, the Centrifugal force flows through the hydraulic circuits through the waveguide 4 (FIG. 1). The liquid flows through the conductors 6 (FIG. 2), the tubes 13, 12 and the bent end pieces 17 onto the inner surface of the drain ring 14 and reaches the housing 19 of the supply system of the cooling liquid via this inner surface.
The pressure level of the liquid in the hydraulic circuits is ensured by the difference between the distance from the outlet openings of the bent end pieces 17 to the rotor axis and the distance from the inlet openings of the tubes 10 to the rotor axis. The flow rate through the hydraulic circuits depends on the pressure level of the liquid and the resistance of these circuits.
Ideally, ie with a complete identity of each pair of the hydraulic circuits, which are arranged symmetrically with respect to the transverse axis q (Fig. 1) of the rotor, the flow rate of the liquid in each pair of the symmetrical circles will be the same, and the rotor is cooled symmetrically.
Before starting up the electrical machine, all bent end pieces 17 are set in the tangential direction, as is indicated by the broken line in FIG. 3. If differences in the heating of the rotor are detected during operation of the electrical machine, e.g. due to an excessive temperature of the rotor in the arrangement area of the hydraulic circuit, which is caused by the smallest, the pole 1 (Fig.
1) closest coil 2 is formed, the bent end piece 17 of the conductor for draining the liquid in the symmetrical hydraulic circuit, which is formed by the smallest coil 2 closest to the (not shown) opposite pole, must be turned downward be that the distance from its outlet opening to the rotor axis changes to a value at which the change in the liquid throughput in this hydraulic circuit eliminates the thermal inequality. Thereafter, the end piece 17 should be in this position by the nut 18 (Fig.
3) be secured.
The rotor according to the invention makes it possible to regulate the coolant throughput during tests and under operating conditions of the electrical machine by means of the rotatable, secured end piece, the control range of the liquid throughput being sufficient to eliminate the thermal imbalance under typical operating conditions of the electrical machine.
The embodiment of the invention described above is given solely for the purpose of illustrating the invention and does not limit its scope. Other design variants of the invention are possible, in particular the construction of the rotor can differ from that described above, it can e.g. Have salient poles. The hydraulic circuits cannot be formed by the field winding, but by the damper winding of the rotor. The rotor according to the invention can be used in connection with various types of supply systems for the cooling liquid which differ from those described above, it can e.g. have a supply system of the cooling liquid, in which the cooling liquid is supplied through corresponding channels in the rotor shaft.