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Stabförmiger, durch ein hindurchgeleitetes Kühlmittel innengekühlter
Leiterfür die Ständerwicklungen elektrischer Maschinen Zur Erzielung einer guten
Abführung der Wärme aus den Wicklungen großer elektrischer Maschinen, insbesondere
Turbogeneratoren, ist man bestrebt, das Kühlmittel möglichst in direkte Berührung
mit den Kupferleitern der Wicklungen zu bringen. Während eine solche Kühlung bei
den mit Gleichstrom gespeisten Läuferwicklungen verhältnismäßig einfach durchzuführen
ist und daher insbesondere bei Maschinen mit Wasserstoffkühlung bereits in erheblichem
Umfang in der Praxis angewendet wird, ist die Anwendung dieser Kühlung bei den Ständerwicklungen
wegen der hohen Spannung derselben und wegen der erforderlichem Kurzschlußfestigkeit
erheblich schwieriger.
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Es ist bereits bekannt, die Teilleiter der üblicherweise als Gitterstäbe
(Roebelstäbe) ausgebildeten Leiter als Hohlleiter herzustellen und das Kühlmittel
durch die Hohlräume bzw. Kanäle der Teilleiter zu leiten.
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Wegen der kleinen Kanalquerschnitte sind dabei jedoch die Strömungswiderstände
sehr hoch, so daß bei Verwendung eines gasförmigen Kühlmittels ein hoher Druck bei
entsprechend hoher Förderleistung notwendig ist. Bei Verwendung eines flüssigen
Kühlmittels ist zwar die Förderleistung bzw. Pumpenleistung nicht erheblich, jedoch
bedingt der erforderliche hohe Druck gewisse Schwierigkeiten bezüglich der Konstruktion
der Zu- und Ableitungskanäle.
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Weiter sind verseilte Rundleiter bekannt, in deren Mitte sich ein
Kühlkanal befindet. Die in den Teilleitern am Umfang des Seiles entstehende Wärme
muß dabei durch mehrere Isolationsschichten gehen, ehe sie vom Kühlmittel aufgenommen
werden kann. Mit einer solchen Anordnung wird daher noch keine optimale Wärmeabfuhr
erzielt, abgesehen davon, daß die Verwendung verseilter Leiter auch in verschiedener
anderer Hinsicht ungünstig ist.
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Bei weiter bekannten Ausführungen befinden sich mehrere Kühlrohre
von rechteckigem Querschnitt aus elektrisch schlecht leitendem Material zwischen
den beiden Teilleiterbündeln eines Gitterstabes. Auch bei dieser Anordnung wird
der Wärmeübergang von Kupfer auf das Kühlmittel durch die zwischen beiden liegenden
Rohrwände und deren Isolation beeinträchtigt.
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Es sind auch Leiteranordnungen bekannt, bei denen zwischen den Teilleiterschichten
eines Gitterstabes Kühlkanäle in der Weise gebildet werden, daß die Zwischenräume
zwischen den Teilleiterschichten zum Teil mit Zwischenstücken, die aus einer mit
Kunstharz versetzten Füllmasse bestehen, ausgefüllt werden. Um hierbei eine genügende
Festigkeit der Leiter insbesondere gegen die bei Kurzschlüssen auftretenden elektrodynamischen
Kraftwirkungen zu erzielen, hat man die Kanäle mit kreisförmigem Querschnitt ausgeführt.
Dadurch wird aber die Breite der Leiterstäbe in Umfangsrichtung des Ständers erheblich
vergrößert, so daß sich eine schlechte Ausnutzung des Wickelraumes ergibt.
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Die Erfindung bezieht sich auf stabförmige, durch ein hindurchgeleitetes
Kühlmittel innengekühlte Leiter für die Ständerwicklüngen elektrischer Maschinen
hoher Stromstärke mit in einer gemeinsamen Isolierhülle angeordneten flachen, schraubenförmig
um die Leiterachse herumgeführten Teilleitern, die jeweils zwei einander gegenüberliegende
Schichten bilden, vornehmlich auf Roebelstäbe. Erfindungsgemäß befinden sieh je
zwischen mehreren Teilleitern feste Isolationsstreifen mit nach der gegenüberliegenden
Teilleiterschicht zu gerichteten Vorsprüngen; welche die beiden Teilleiterschichten
in einem durch die Breite der Vorsprünge bestimmten Abstand voneinander halten,
so däß zwischen den Teilleiterschichten ein längs des Leiters verlaufender Kühlkanal
gebildet ist.
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Der Querschnitt des Kühlkanals kann dabei so groß gewählt werden,
daß der Strömungswiderstand für ein gasförmiges Kühlmittel und damit der Leistungsaufwand
zur Förderring des Kühlmittels in mäßigen Grenzen bleibt. Bei der Verwendung von
flüssigem Kühlmittel, insbesondere Öl, können Zu-und Ableitungen für das Kühlmittel
verwendet werden, die nicht für besonders hohe Drücke bemessen sind.
Die
Abstützung der Teilleiter durch die Vorsprünge der Isolationsstreifen kann ohne
Schwierigkeit so kräftig gemacht werden, daß sie die bei Kurzschlüssen auftretenden
Kraftwirkungen aushält.
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Die den Kanal durchsetzenden Vorsprünge der Isolationsstreifen ergeben
eine gute Durchwirbelung des strömenden Kühlmittels und damit einen guten Wärmeübergang.
Dabei beanspruchen sie nur einen verhältnismäßig geringen Teil des gesamten zwischen
den beiden Teilleiterschichten liegenden Raumes.
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In den Zeichnungen sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt.
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Fig. 1 zeigt einen stabförmigen Leiter nach der Erfindung in Seitenansicht
und Fig. 2 in Draufsicht.
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In den Fig. 3 und 4 ist je ein Querschnitt nach der Linie A-B bzw.
C-D der Fig. 1 dargestellt. Insbesondere in den Fig. 3 und 4 sind die in den einander
gegenüberliegenden Schichten liegenden Teilleiter 1 zu erkennen. Mit 2 und 3 sind
die zwischen die Teilleiter der beiden Schichten eingelegten Isolationsstreifen
bezeichnet. In diesem Beispiel sind alle Isolationsstreifen mit Vorsprüngen 2' und
3' versehen, so daß die in die eine Teilleiterschicht eingelegten Streifen mit ihren
Vorsprüngen an den Teilleitern der anderen Schicht anliegen und umgekehrt. Wie in
den Fig. 5 und 6 dargestellt ist, sind die Vorsprünge der Isolationsstreifen der
beiden Teilleiterschichten gegeneinander versetzt und haben abgesehen von den Stellen
an den Übergängen der Teilleiter von der einen Schicht zur anderen gleiche Abstände
untereinander. In Fig. 1 ist die Lage der Vorsprünge der Isolationsstreifen angedeutet,
obwohl sie dort an sich nicht zu sehen sind.
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Durch die infolge der schraubenförmigen Führung der Teilleiter bedingte
Schräglage derselben und der Isolationsstreifen liegt jeder Vorsprung an mehreren
Teilleitern der gegenüberliegenden Schicht an. Zweckmäßig wird man die Anzahl der
Isolationsstreifen, die axiale Länge der Vorsprünge und die Schrägung der beiden
Teilleiterschichten so wählen, daß sämtliche Teilleiter der einen Schicht durch
die Vorsprünge der Isolationsstreifen der anderen Schicht abgestützt sind und umgekehrt.
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Während bei der üblichen Ausführung von Gitterstäben jeder Teilleiter
innerhalb der Stablänge nur einmal schraubenförmig um die Stabachse herumgeführt
ist, so daß die Teilleiter unter einer sehr geringen Schrägung zur Stabachse verlaufen,
wird es bei Stäben nach der Erfindung vielfach zweckmäßig sein, eine etwas größere
Schrägung der Teilleiter zu wählen, was dadurch geschehen kann, daß die Teilleiter
innerhalb einer Stablänge mehrmals schraubenförmig um die Stabachse herumgeführt
werden.
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In den Fig. 7 und 8 ist eine andere Ausführung der Erfindung dargestellt.
Hier sind nur in die eine der beiden Teilleiterschichten Isolationsstreifen 3 mit
Vorsprüngen 3', in die andere dagegen Isolationsstreifen 2 ohne Vorsprünge eingelegt.
In diesem Fall ergibt sich ein noch etwas freierer Querschnitt des Kühlkanals. Dagegen
ist die gegenseitige Abstützung der beiden Teilleiterschichten nicht so vollkommen
wie bei der erstbeschriebenen Anordnung.
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Zur Erzielung einer genügenden Festigkeit des Stabes können die Teilleiter
und Isolationsstreifen mindestens derjenigen Teilleiterschicht, in der sich die
Isolationsstreifen mit Vorsprüngen befinden, fest miteinander verbunden, beispielsweise
verklebt oder verkittet sein. Natürlich kann ein solches Verkleben oder Verkitten
auch in der anderen Teilleiterschicht und ebenso auch bei der zuerst beschriebenen
Ausführungsform der Erfindung als eine zusätzliche Maßnahme zur Erhöhung der Festigkeit
angewendet werden.
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Auch bei Anordnungen nach den Fig. 7 und 8 kann es zweckmäßig sein,
die Teilleiter mehrmals schraubenförmig um die Stabachse herumzuführen, da sich
dadurch in jedem Fall eine die Stabfestigkeit erhöhende Verringerung der Abstände
der Abstützpunkte der Teilleiter erreichen läßt.
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Um die Anschlüsse für die Zu- und Ableitung des Kühlmittels günstig
anordnen zu können, wird man den erfindungsgemäßen Aufbau des Leiterstabes nicht
an seinen Austrittsstellen aus den Ständernuten enden lassen, sondern mindestens
noch ein Stück weit bis in die Stirnverbindungen hinein fortsetzen.
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Besonders vorteilhaft ist es, die Leiter der Stirnverbindungen vollständig
oder nahezu vollständig in der gleichen Weise aufzubauen wie die Leiterstäbe in
den Nuten. Das Kühlmittel wird dann zweckmäßig etwa in der Mitte der Stirnverbindungen
zu-und abgeführt.
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Für die Herstellung der Stirnverbindungen können die Kupferleiter
entsprechend gebogen werden, während die Isolierstreifen entsprechend der endgültigen
Form der Stirnverbindungen angefertigt bzw. zugeschnitten werden.