DE1014640B

DE1014640B - Stator winding of dynamo-electric machines

Info

Publication number: DE1014640B
Application number: DEM16645A
Authority: DE
Inventors: William Norman Kilner; Harald Isbister Wood
Original assignee: Metropolitan Vickers Electrical Co Ltd
Current assignee: Metropolitan Vickers Electrical Co Ltd
Priority date: 1951-12-12
Filing date: 1952-12-12
Publication date: 1957-08-29
Also published as: CH310332A; BE516189A

Description

Statorwicklung dynamoelektrischer Maschinen Die Erfindung betrifft die Statorwicklung dynamoelektrischer Maschinen, und sie ist insbesondere bei großen Wechselstromgeneratoren mit Turbinenantrieb mit Vorteil anwendbar.Dynamoelectric Machine Stator Windings The invention relates to the stator winding of dynamo-electric machines, and it is particularly important in large Turbine-powered alternators can be used to advantage.

Die maximal erzielbare Leistung derartiger Maschinen wird durch mehrere Faktoren begrenzt; zu den wichtigsten dieser Faktoren gehört der zulässige Temperaturanstieg, der seinerseits von der Geschwindigkeit abhängig ist, mit der die in den genannten Maschinen erzeugte Wärme abgeführt wird.The maximum achievable performance of such machines is determined by several Factors limited; one of the most important of these factors is the permissible temperature rise, which in turn depends on the speed at which the said Heat generated by machines is dissipated.

Das übliche Verfahren zur Kühlung derartiger Maschinen besteht darin, Gase, beispielsweise Luft oder Wasserstoff, durch die Maschine zirkulieren zulassen. Bei einem derartigen Kühlverfahren wird jedoch nur eine Wärmeabführung von den Kernoberflächen sowie von den frei liegenden Endabschnitten der Wicklung erzielt; bei den eingebetteten Abschnitten der Wicklungen kann eine Wärmeabführung nur dadurch erfolgen, daß die Wärme zu frei liegenden Oberflächen geleitet wird, um dort abgeführt zu werden.The usual method of cooling such machines is to Allow gases, such as air or hydrogen, to circulate through the machine. With such a cooling method, however, only heat is dissipated from the core surfaces as well as obtained from the exposed end portions of the winding; with the embedded Sections of the windings can only be dissipated by the fact that the Heat is conducted to exposed surfaces in order to be dissipated there.

Zur Erzielung einer besseren Kühlwirkung, insbesondere auch der in den Nuten eingebetteten Leiterabschnitte, ist es auch bereits bekannt, entweder die Leiter selbst hohl auszubilden und durch die hohlen Leiter ein Kühlmittel zu leiten oder aber die Leiter so auszubilden, daß sie nicht den gesamten Nutenquerschnitt ausfüllen, so daß das Kühlmittel in den Nuten entlangströmen kann. Bei dem sich mit hoher Geschwindigkeit drehenden Rotor kann dabei die Wirkung des Ventilators und die auf das Gas wirkende Zentrifugalkraft zur Hervorrufung der Kühlgasströmung durch die Kühlkanäle benutzt werden. Anders jedoch bei der Kühlung des Stators, bei dem solche Mittel nicht zur Verfügung stehen und deshalb das Kühlmittel den Leitern unter Druck zugeführt werden muß. Dies bedingt, daß die Kühlkanäle in den Leitern mit einer Zuführungsleitung für das unter Druck stehende Kühlmittel in Verbindung stehen müssen. Zugleich müssen jedoch auch Vorkehrungen getroffen werden, um sicherzustellen, daß die Leiter über die Kühlmittelzuführungsrohre nicht elektrisch kurzgeschlossen werden, während aber dennoch die üblichen elektrischen Stirnverbindungen zwischen den Leitern ermöglicht sein sollen. Es sind bereits Statorwicklungen dynamoelektrischer Maschinen bekannt, bei denen die Leiter in den Nuten eines Eisenkernes in oberen und unteren Gruppen angeordnet sind und Längskanäle aufweisen, durch welche ein Kühlmittel von dem einen zum anderen Ende der Maschine fließt. Hierbei erstrecken sich die Leiter merklich über die Enden des Eisenkernes hinaus und sind an im Abstand vom Eisenkernende liegenden Stellen isoliert abgestützt. Bei diesen bekannten Maschinen wird die Statorwicklung doppelseitig belüftet. Diese bekannte Ausbildung, die zu einer Zeit entwickelt worden ist, in der die Maschinen mit relativ niedriger Drehzahl, niedriger elektrischer Spannung und damit mit geringer mechanischer Beanspruchung liefen, ist für moderne, sehr schnell laufende Maschinen nicht befriedigend.To achieve a better cooling effect, especially that in The grooves embedded conductor sections, it is also already known to either to form the conductors themselves hollow and a coolant to be added through the hollow conductors guide or train the ladder so that it does not cover the entire cross-section of the groove Fill in so that the coolant can flow along the grooves. With that Rotating rotor at high speed can affect the action of the fan and the centrifugal force acting on the gas to cause the cooling gas flow can be used through the cooling channels. However, it is different with the cooling of the stator, in which such means are not available and therefore the coolant the Ladders must be fed under pressure. This requires that the cooling channels in the Conductors with a supply line for the pressurized coolant in connection have to stand. At the same time, however, precautions must also be taken to ensure that the conductors are not electrically short-circuited via the coolant supply pipes be, while but still the usual electrical end connections between the ladders should be enabled. There are already stator windings more dynamo-electric Machines known in which the ladder is in the grooves of an iron core in the upper and lower groups are arranged and have longitudinal channels through which a Coolant flows from one end of the machine to the other. Here extend the conductors are noticeably beyond the ends of the iron core and are at a distance from the iron core end lying points supported insulated. With these known machines the stator winding is ventilated on both sides. This well-known training that too was developed at a time when the machines were running at a relatively low speed, low electrical voltage and thus with low mechanical stress is not satisfactory for modern, very fast running machines.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Statorwicklung für dynamoelektrische Maschinen der beschriebenen Art zu schaffen, die bei guter Kühlwirkung den heutigen hohen mechanischen Anforderungen gewachsen ist.It is the object of the invention to provide a stator winding for dynamoelectric To create machines of the type described, with a good cooling effect today's is able to cope with high mechanical requirements.

Die Statorwicklung gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß jeder Leiter zwei Leiterbänder umfaßt, die, um einen Kühlmittelkanal zwischen sich zu bilden, im Abstand voneinander angeordnet sind. Weiterhin sind Verbinder in Form von Metallbändern vorgesehen, welche die Leiter an Stellen zwischen den Enden des Eisenkernes und den isolierten Abstützungen umschließen und die Leiter der oberen und unteren Gruppen untereinander verbinden.The stator winding according to the invention is characterized in that each conductor comprises two conductor strips which, around a coolant channel between to form, are spaced from each other. There are also connectors provided in the form of metal strips, which the ladder at points between the Enclose the ends of the iron core and the insulated supports and the conductors connect the upper and lower groups with each other.

Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung der Statorwicklung ermöglicht es die rechteckige Form der Leiter, die Maschine insbesondere bezüglich der Stirnverbindungen sehr starr zu bauen.In the design of the stator winding according to the invention made possible it is the rectangular shape of the ladder, the machine especially with regard to the end connections very rigid to build.

Weiterhin kann - entsprechend der hohen Spannung, für welche die Maschine ausgelegt ist - eine Mehrzahl von Leitern in jeder Nut vorgesehen sein, wobei die Verbinder die mehrfache Verbindung zwischen Leitern der oberen und der unteren Gruppen im Bereich der überstehenden Enden der Leiter sicherstellen. Hierdurch wird die mechanische Festigkeit der Statorwicklung noch weiter erhöht, so daß sie den durch 'die hohen Spannungen induzierten Kräften sowie den :durch die hohen Umdrehungszahlen verursachten Schwingungen gewachsen ist.Furthermore - according to the high voltage for which the machine is designed - one A plurality of conductors are provided in each slot be, the connector being the multiple connection between conductors of the upper and of the lower groups in the area of the protruding ends of the ladder. This increases the mechanical strength of the stator winding even further, so that they the forces induced by the high voltages as well as the: by the vibrations caused by the high number of revolutions.

Der Abstand der Leiter der Wicklung kann durch isolierende Abstandsstücke sichergestellt sein, die zusammen mit den entsprechenden Leitern die Kühlkanäle bilden.The distance between the conductors of the winding can be determined by insulating spacers ensure that the cooling channels together with the corresponding conductors form.

Als Kühlmittel kann ein Gas, beispielsweise Luft oder Wasserstoff, oder auch eine leicht zu verdampfende Flüssigkeit, beispielsweise Freon oder Tetrachlörkohlenstoff, verwendet werden.A gas, for example air or hydrogen, can be used as a coolant. or a liquid that is easy to evaporate, for example freon or carbon tetrachloride, be used.

Die Erfindung wird an Hand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is illustrated by means of schematic drawings of several exemplary embodiments explained in more detail.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer Statornut mit gemäß der Erfindung angeordneten Leitern; Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch eine dynamoelektrische Maschine mit einer Statorwicklung gemäß der Erfindung, bei welcher der Stator mittels Flüssigkeit gekühlt wird; Fig. 3 zeigt in vergrößertem Maßstab eine Nut mit einer etwas anderen Leiteranordnung als in Fig. 1; Fig. 4 ist eine Ansicht in der gleichen Schnittebene wie in Fig. 2, jedoch in vergrößertem Maßstab, und Fig. 5 zeigt die Anordnungen A und B nach Fig. 4 jeweils im Schnitt entlang den Linien A-A bzw. B-B in Fig. 4.Fig. 1 is a sectional view of a stator slot according to the invention arranged ladders; Fig. 2 is a longitudinal section through a dynamo-electric machine with a stator winding according to the invention, in which the stator by means of liquid is cooled; Fig. 3 shows, on an enlarged scale, one groove with a slightly different one Conductor arrangement as in Fig. 1; Fig. 4 is a view on the same sectional plane as in Fig. 2, but on an enlarged scale, and Fig. 5 shows the arrangements A and B of FIG. 4 in section along the lines A-A and B-B in FIG. 4, respectively.

In Fig. 1 bestehen die Leiter des unteren Stabes aus rechteckigen Metallbändern 5, zwischen denen isolierende Abstandsstücke 6 angeordnet sind. Diese bilden zusammen mit den Metallbändern Kanäle 7, durch welche die Gase hindurchströmen können. Der obere Stab besteht aus drei Paaren von Bändern 8, die in ähnlicher Weise in gegenseitigem Abstand gehalten werden, um die Kanäle 9 zu bilden. In manchen Fällen kann es aus mechanischen Gründen zweckmäßig sein, zwischen den beiden oberen Paaren von Bändern des oberen Stabes zusätzlich ein in der Mitte angeordnetes Abstandsstück 10 vorzusehen, wie es in Fig. 1 durch gestrichelte Linien angedeutet ist.In Fig. 1, the conductors of the lower rod are rectangular Metal strips 5, between which insulating spacers 6 are arranged. These together with the metal strips form channels 7 through which the gases flow can. The top rod consists of three pairs of ribbons 8 that work in a similar manner are kept at a mutual distance to form the channels 9. In some In some cases, for mechanical reasons, it may be appropriate to switch between the two above Pairs of bands of the upper rod additionally have a spacer arranged in the middle 10 to be provided, as indicated in Fig. 1 by dashed lines.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung können die einzelnen Bänder, aus denen jedes Paar 8 besteht, oder jeweils benachbarte Bänder 5 in der üblichen Weise innerhalb der Nut miteinander vertauscht werden; eine Vertauschung der verschiedenen Paare kann beispielsweise durch entsprechende Verbindungen an den Enden der Leiter herbeigeführt werden.In the arrangement shown in Fig. 1, the individual bands, each pair of which consists of 8, or adjacent strips 5 in the usual way Way are interchanged within the groove; an exchange of the various Pairs can be achieved, for example, by means of appropriate connections at the ends of the conductors be brought about.

Aus Fig. 2 kann man erkennen, in welcher Weise die Leiter gemäß der Erfindung in einem Wechselstromgenerator mit Turbinenantrieb angeordnet werden können. Mit 15 ist der Statorkern, mit 16 der untere Teil des den Kern umgebenden Rahmens bezeichnet; die Bezugszahl 17 bezeichnet einen Teil des Rotors. In dem ringförmigen Spalt zwischen der Außenfläche des Rotors und dem Stator ist ein Spaltrohr 18 aus nichtmetallischem Material vorgesehen. Bei der Anordnung nach Fig. 2 sind die oberen und unteren Stäbe als jeweils aus einem einzelnen Leiter 19 bzw. 20 von rechteckigem Querschnitt bestehend, dargestellt. Die Kühlflüssigkeit wird dem auf der rechten Seite befindlichen Ende des Leiters 19 aus einer Eintrittskammer 21 zugeführt; diese Eintrittskammer erstreckt sich über den Umfang des Statorkernes und wird durch eine Rohrleitung 22 mit Flüssigkeit versorgt. Die Enden der Leiter 19 und 20' sind mit Hilfe eines metallischen Verbinders 23 elektrisch miteinander verbunden, während der in dem oberen Leiter 19 vorgesehene Kanal mit der erwähnten Kammer 21 über eine isolierende Buchse 24, die' in eine Öffnung in einer isolierenden Platte 25 eingepaßt ist, in Verbindung steht. Die Flüssigkeit aus der Kammer 21 strömt durch den Kanal in dem Leiter 19 zur linken Seite der Maschine und tritt in die Pinke Kammer 26' am linken Ende des Stators ein. Auf der linken Seite der Maschine sind die beiden Leiter ähnlich wie auf der rechten Seite durch einen Verbinder 23' elektrisch miteinander verbunden, während der untere Leiter 20 in diesem Falle mittels einer isolierenden Buchse 24', die in die isolierende Platte 25' eingepaßt ist, an die zur Zuführung von Flüssigkeit dienende Kammer 21' angeschlossen ist. Gemäß der Darstellung in Fig.2 strömt somit die Flüssigkeit durch den oberen Leiter 19 von rechts nach links, während die Strömung durch den unteren Leiter 20 von links nach rechts erfolgt, wobei die durch den unteren Leiter 20 strömende Flüssigkeit in die rechte Kammer 26' eintritt.From Fig. 2 it can be seen in which way the conductors according to the invention can be arranged in an alternator with turbine drive. The stator core is denoted by 15 and the lower part of the frame surrounding the core is denoted by 16; reference numeral 17 denotes part of the rotor. A can 18 made of non-metallic material is provided in the annular gap between the outer surface of the rotor and the stator. In the arrangement of FIG. 2, the upper and lower bars are shown as each consisting of a single conductor 19 and 20, respectively, of rectangular cross-section. The cooling liquid is fed to the end of the conductor 19 located on the right-hand side from an inlet chamber 21; this inlet chamber extends over the circumference of the stator core and is supplied with liquid through a pipe 22. The ends of the conductors 19 and 20 'are electrically connected to one another by means of a metallic connector 23, while the channel provided in the upper conductor 19 is connected to the mentioned chamber 21 via an insulating bushing 24 which' fits into an opening in an insulating plate 25 is connected. The liquid from the chamber 21 flows through the channel in the conductor 19 to the left of the machine and enters the pink chamber 26 'at the left end of the stator. On the left-hand side of the machine, the two conductors are electrically connected to one another, similarly to the right-hand side, by a connector 23 ', while the lower conductor 20 in this case by means of an insulating bushing 24' which is fitted into the insulating plate 25 ', is connected to the chamber 21 'serving for the supply of liquid. As shown in FIG. 2, the liquid flows through the upper conductor 19 from right to left, while the flow through the lower conductor 20 takes place from left to right, the liquid flowing through the lower conductor 20 into the right-hand chamber 26 '. entry.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung wird für eine zusätzliche Flüssigkeitskühlung des Statorkernes durch axiale Kanäle 27 gesorgt, denen die Kühlflüssigkeit aus den Kammern 28 und 28' zugeführt wird. Durch die axialen Kanäle 27 gelangt die Flüssigkeit in die radialen Kanäle 29, die in dem Kern vorgesehen sind. Bei der dargestellten Anordnung führen die Kanäle 27 jeweils jedem zweiten Kernkanal 29 Kühlflüssigkeit zu, und die erwähnten Kernkanäle speisen ihrerseits die dazwischenliegenden Kernkanäle durch die Übertrittskanäle 30, die an der Innenseite des Kernes vorgesehen sind; die Richtung der Strömung ist jeweils durch Pfeile angedeutet; der entstehende Dampf wird schließlich durch die am Boden des Gehäuses vorgesehene Austrittsöffnung 16A abgeleitet. Bei der vorgesehenen Anordnung würde der Rotor mittels Gas, beispielsweise mittels Wasserstoff, gekühlt; aus diesem Grunde ist die Wand 18 vorgesehen, um das mit Flüssigkeit arbeitende Kühlsystem des Stators von dem mit Gas arbeitenden Kühlsystem des Rotors zu trennen.In the arrangement shown in FIG. 2, additional liquid cooling of the stator core is provided by axial channels 27 to which the cooling liquid is supplied from the chambers 28 and 28 '. The liquid passes through the axial channels 27 into the radial channels 29 which are provided in the core. In the arrangement shown, the channels 27 each supply cooling liquid to every second core channel 29 , and the aforementioned core channels in turn feed the intermediate core channels through the transfer channels 30 which are provided on the inside of the core; the direction of the flow is indicated by arrows; the resulting steam is finally discharged through the outlet opening 16A provided at the bottom of the housing. In the intended arrangement, the rotor would be cooled by means of gas, for example by means of hydrogen; for this reason the wall 18 is provided to separate the liquid cooling system of the stator from the gas cooling system of the rotor.

Wenn der Stator jedoch mittels Gas gekühlt wird, kann die Wand 18 fortgelassen werden, und das Gas; das durch die hohlen Leiter in die auf der linken und auf der rechten Seite der Maschine vorgesehenen Räume 26' gelangt, würde sich dann mit dem Gas mischen, das aus dem Rotorkühlsystem austritt; bevor das Gas erneut durch die Maschine zirkuliert, wird es bei dieser Anordnung durch einen Kühler geschickt.However, if the stator is cooled by means of gas, the wall 18 be omitted, and the gas; that through the hollow ladder into the one on the left and spaces 26 'provided on the right side of the machine would be then mix with the gas exiting the rotor cooling system; before the gas again circulated through the machine, in this arrangement it is sent through a cooler.

Fig. 3 stellt eine Leiteranordnung dar, bei der die Leiter ähnlich wie der in Fig. 1 dargestellte untere Stab aus parallelen Bändern gebildet sind. Im Falle der Anordnung gemäß Fig. 3 sind jedoch acht Paare von Bändern im oberen Stab sowie ebenfalls acht Paare im unteren Stab vorgesehen; die oberen und unteren Bänder 30 bzw. 31 jedes Paares sind hierbei durch isolierende Abstandsstücke 32 voneinander getrennt. Die Abstandsstücke 32 sind ihrerseits in einem seitlichen gegenseitigen Abstand derart angeordnet, daß sich zwischen jedem Paar von Leiterbändern 30 und 31 einerseits und den zugehörigen isolierenden Abstandsstücken 32 andererseits ein zur Kühlung dienender Kanal 33 bildet. Jede der auf diese Weise gebildeten Gruppen von Bauteilen ist von der benachbarten Gruppe durch einen Isolierstreifen 34 getrennt. Die den oberen Stab bildenden Bauteile sind in eine isolierende Umhüllung 35 und der untere Stab in eine isolierende Umhüllung 36 eingeschlossen. Beide Stäbe sind durch ein Abstandsstück 37 voneinander getrennt und zusammen durch einen Keil 38 in der Nut festgehalten.Fig. 3 illustrates a ladder arrangement in which the conductors are formed from parallel strips similar to the lower rod shown in Fig. 1. In the case of the arrangement according to FIG. 3, however, eight pairs of bands are provided in the upper rod and also eight pairs in the lower rod; the upper and lower bands 30 and 31 of each pair are separated from one another by insulating spacers 32. The spacers 32 are in turn arranged at a lateral mutual spacing in such a way that a channel 33 serving for cooling is formed between each pair of conductor strips 30 and 31 on the one hand and the associated insulating spacers 32 on the other hand. Each of the groups of components formed in this way is separated from the adjacent group by an insulating strip 34. The components forming the upper rod are enclosed in an insulating sheath 35 and the lower rod in an insulating sheath 36. Both rods are separated from one another by a spacer 37 and held together in the groove by a wedge 38.

Fig. 4 stellt die Anordnung an den Enden einer derartigen Wicklung dar. Bei der gezeigten Anordnung wird der Hälfte der Leiterkanäle aus der Kammer 21 am Ende der Wicklung Flüssigkeit zugeführt, die am anderen Ende der Maschine wieder aus den Kanälen austritt. Den übrigen Kanälen wird Flüssigkeit am anderen Ende der Maschine zugeführt, und diese Flüssigkeit tritt in den Raum 26' aus. Zur Herstellung der Rohrleitungsverbindungen dienen rechteckige Isolierrohre 24, die jede Gruppe von bandförmigen Leitern mit einer isolierenden Platte 25 verbinden, wobei die Rohre 24 durch die Platte 25 hindurch in den Raum 21 hineinragen. Die Anordnung am gegenüberliegenden Ende der Maschine ist entsprechend getroffen.Fig. 4 shows the arrangement at the ends of such a winding In the arrangement shown, half of the conductor ducts are out of the chamber 21 is supplied with liquid at the end of the winding, which at the other end of the machine emerges from the channels again. The remaining ducts get fluid on the other The end of the machine is fed, and this liquid exits into the space 26 '. To the Rectangular insulating tubes 24 are used to produce the pipeline connections connect each group of ribbon-shaped conductors to an insulating plate 25, wherein the tubes 24 protrude through the plate 25 into the space 21. the Arrangement at the opposite end of the machine is made accordingly.

Aus den Fig. 5 A und 5 B erkennt man, wie die Verbinder 23A bzw. 23B in Fig. 4 angeordnet werden können, um eine Vertauschung von Leitergruppen zu bewirken.From FIGS. 5A and 5B it can be seen how the connectors 23A and 23B, respectively in Fig. 4 can be arranged in order to effect an interchange of conductor groups.

Weiterhin müssen Mittel, wie Pumpen oder Gebläse, zum Umwälzen des Kühlmittels vorgesehen sein.Furthermore, means, such as pumps or fans, must be used to circulate the Be provided coolant.

Es ist ferner im Falle einer Kühlung mittels Wasserstoff normalerweise erforderlich, einen Kühler vorzusehen, um den Wasserstoff zu kühlen, bevor er erneut umgewälzt wird. Dieses Erfordernis ergibt sich bei Wasserstoff insbesondere deshalb, weil hierbei eine sehr sorgfältige Abdichtung der Maschine erforderlich ist. Im Falle einer Kühlung mittels Flüssigkeit kann die Kühlflüssigkeit naturgemäß aus der Maschine herausgeführt und ihr nach dem Kühlen wieder zugeführt werden.It is also normal in the case of hydrogen cooling required to provide a cooler to cool the hydrogen before using it again is circulated. In the case of hydrogen, this requirement arises in particular because because this requires very careful sealing of the machine. in the In the case of cooling by means of liquid, the cooling liquid can naturally be removed out of the machine and fed back to it after cooling.

Claims

Claim: Stator winding of dynamo-electric machines, which comprises conductors passing through slots in an iron core and arranged in upper and lower groups in the core, which have longitudinal channels through which a coolant flows from one end to the other of the machine and which extend over the two ends of the iron core and are supported insulated at points spaced from the end of the core, characterized in that each conductor (19, 20) comprises two conductor strips (30, 31) which, in order to form a coolant channel (33) between them, in Are spaced apart, and that connectors in the form of metal strips (23A, 23B), which enclose the conductors (19, 20) at points between the ends of the iron core (15) and the insulated supports, the conductors of the upper and lower groups with each other associate. Considered publications: German Patent Nos. 230 316, 312 247, 337 561, 654 087; Swiss patents Nos. 71116, 96 244, 99 387, 172 839 '; U.S. Patent Nos. 2,221,567, 2,386,701.