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Ständerwicklung für Wechselstrommaschinen mit direkter Leiterkühlung
Die Erfindung bezieht sich auf direkt gekühlte Ständerwicklungen von elektrischen
Maschinen, insbesondere von schnell laufenden Turbogeneratoren, bei welchen der
Nutraum von metallischen Kühlkanälen durchzogen ist. Üblicherweise verwendet man
für die Kühlkanäle ein Metall, welches einen hohen. spezifischen elektrischen Widerstand
aufweist, und umgibt die metallischen Kühlkanäle mit einer schwachen Isolation.
Es ist bereits bekannt, zur Erzielung einer möglichst großen Kühlleistung ein einziges
Bündel von Kühlkanälen in der Mitte zweier Gitterstäbe anzuordnen. Bei dieser Anordnung
steht die den Wicklungsstab umgebende isolierende Wicklungshülse in unmittelbarer
Berührung mit den Außenflächen der Gitterstäbe. Die höchstmöglichste Temperatur
der Gitterstäbe, von welcher die Nennleistung der Maschine abhängt, ist daher auf
die höchste zulässige Dauertemperatur beschränkt, welche von der Wicklungshülse
über einen längeren Zeitraum ohne merkliche Verschlechterung ihrer elektrischen
und mechanischen Eigenschaften ausgehalten werden. Üblicherweise wird für die Wicklungshülse
aus isolationstechnischen Gründen ein Isolierstoff, insbesondere unter Verwendung
von Glimmer (Klasse B), verwendet, dessen höchstzulässige Dauertemperatur bei 130°
C liegt. Durch die vorgeschlagene Anordnung eines einzigen Kühlkanalbündels in der
Mitte des Nutleiters ist zwar bie vorgegebener Größe der Ständernut ein Optimum
an wirksamer Wärmeaustauschfläche zwischen Kühlkanälen und den die größtmögliche
Gesamtquerschnittsfläche aufweisenden Leitern erreicht, aber die heißeste Leitertemperatur
ist auf die höchstzulässige Dauertemperatur des für die Wicklungshülse verwendeten
Isolierstoffes beschränkt. Daher wird bei der vorgeschlagenen Anordnung für die
Isolation der Einzelleiter ein Isolierstoff der gleichen Klasse wie für die Wicklungshülse
verwendet.
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Die Erfindung bezweckt eine verbesserte Ausbildung der Ständerwicklungen
für Hochspannungs-Wechselstrommaschinen, insbesondere Turbogeneratoren, mit innerhalb
der sich. über die ganze Länge der unterteilten Leiterstäbe bzw. Spulenseiten erstreckenden
Isolierhülsen und innerhalb der letzteren angeordneten rohrförmigen Kanälen zu schaffen,
bei der die Beschränkungen bezüglich der höchstzulässigen Leitertemperatur durch
die für die Nutisolierhülsen gegebene Höchsttemperatur überwunden sind. Gemäß der
Erfindung wird dieses dadurch erreicht, daß die Rohrkanäle nebeneinanderliegend
in sämtlichen Trennflächen zwischen den Leiterstäben und den Isolierhülsen so angeordnet
sind, daß ein direkter Wärmeübergang von .den Leiterstäben an die Isolierhülsen
verhindert wird.
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Die erfindungsgemäße Anordnung hat zur Folge, daß an allen Stellen,
an denen der Leiterstab von einer Isolierhülse umgeben ist, eine durch Rohrkanäle
gebildete kühlmittelführende Schicht eingeschaltet ist, so daß der Leiterstab bzw.
dessen Teilleiter ohne Gefährdung der Isolierhülsen auf eine höhere Temperatur erwärmt
werden können, weil die Isolierhülsen infolge der Zwischenschaltung der Kühlschicht
auf einer niederen Temperatur gehalten werden.
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Die nebeneinanderliegenden, zwischen Leiterstäben und Isolierhülsen
eingeschalteten Rohrkanäle können in an sich bekannter Weise entweder vollständig
aus Isolierstoff bestehen oder aus Blech hergestellt und mit einer äußeren Isolierumhüllung
versehen sein.
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Verglichen mit der bekannten Anordnung nehmen die gemäß der Erfindung
angeordneten Kühlkanäle bei vorgegebener Größe der Ständernut zwar mehr Platz als
bisher ein, da zur Erzielung einer ausreichenden Kühlwirkung der Innenquerschnitt
eines einzigen Kühlkanals etwa die gleiche Größe wie bei der bekannten Anordnung
haben muß. Hierdurch fällt zwar die Gesamtquerschnittsfläche der Leiter geringer
aus, dieser Nachteil wird aber wettgemacht durch die Möglichkeit, die höchstzulässige
Temperatur der Leiter wesentlich zu steigern, da die Leiter mit der z. B. aus Isolierstoff
der Klasse B bestehenden Wicklungshülse nicht mehr unmittelbar inBerührung stehen
und da für die schwache Isolation der Leiter selbst ein Isolierstoff mit einer höheren
höchstzulässigen Dauertemperatur, z. B. Klasse. H mit 180° C oder gar 200,° C und
mehr Dauertemperatur, verwendet werden kann.
Auf diese Weise bietet
die Erfindung die Möglichkeit, die Nennleistung einer elektrischen Maschine wesentlich
zu steigern.
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Zur Erläuterung der Erfindung ist in den Fig. 1 und 2 ein Ausführungsbeispiel
dargestellt.
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Fig. 1 gibt einen seitlichen Längsschnitt der oberen Hälfte eines
wasserstoffgekühlten Turbogenerators wieder ; Fig.2 ist ein. vergrößerter Schnitt
durch eine Ständernut längs der Linie II-II der Fig. 1.
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Der Ständer 4 des Turbogenerators der Fig. 1 weist eine zylindrische
Bohrung auf und ist von dem zylindrischen Läufer 5 durch den Luftspalt 6 getrennt.
Das Gehäuse 7 umschließt den Ständer 4 und den Läufer 5 gasdicht. Innerhalb des
Gehäuses 7 befindet sich Wasserstoff beispielsweise mit ungefähr 2 atm Überdruck.
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Der zylindrische Kern 10 des Ständers 4 ist mit einer Vielzahl von
Nuten 11 versehen, welche zur Aufnahme der Ständerwicklung 12 dienen. Die Ständerwicklung
12 besteht aus den innerhalb der Nuten 11 angeordneten Nutleitern und den über den
Kern 10 hinausragenden Wickelköpfen. Die als Zweischichtwicklung ausgeführte Ständerwicklung
12 isst mittels der Kühlkanäle 21 direkt gekühlt. Die Enden 13 der Kühlkanäle 21
ragen über die Wickelköpfe der Ständerwicklung 12 hinaus.
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Der Läufer 5 besteht aus dem zylindrischen Läuferballen 14, welcher
mit Nuten 15 zur Aufnahme der Läuferwicklung 16 versehen ist. Die Leiter der als
Erregerwicklung für den Turbogenerator dienenden Läuferwicklung 16 sind ebenfalls
direkt gekühlt. Die Erregerwicklung 16 hat eine niedrigere Spannung als die Ständerwicklung
12, so daß die direkt gekühlten Leiter der Erregerwicklung mit einer verhältnismäßig
schwachen Isolation versehen sind. Die unmittelbare Kühlung der Erregerwicklung
16 durch umlaufenden Wasserstoff erfolgt in einer geeigneten Weise, beispielsweise
in der durch die Pfeile in der Fig. 1 angedeuteten Art. In dem in der Fig. 1 gezeigten
Turbogenerator wird der unter Druck stehende Wasserstoff sowohl zur Kühlung der
Ständerwicklung als auch zur Kühlung der Läuferwicklung verwendet. Der Wasserstoff
zirkuliert hierbei in der durch die Pfeile angedeuteten Weise und wird durch eine
Kühlvorrichtung 17 gekühlt.
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Der in der Fig. 2 gezeigte Nutleiter der Ständerwicklung 12, welcher
sich in der Ständernut 11 befindet, besteht aus zwei Wicklungsstäben, welche jeweils
von der Wicklungshülse 22 umgeben sind. Die Leiter 18, welche zur Beseitigung der
Wirbelstromverluste zu den beiden beispielsweise als Roebelstäbe ausgebildeten Gitterstäben
20a und 20b zusammengefaßt sind, tragen die Isolation 23. Diese Isolation 23 ist
eine dünne Niederspannungsisolation von etwa 0,15 bis 0,18 mm. Ihre Durchschlagfestigkeit
liegt bei etwa 600 Volt.
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Die Leiter 18 sind jeweils von den rechteckförmigen metallischen Kühlkanälen
21 umgeben., welche unmittelbar aneinander anschließen. Jeder Kühlkanal 21 ist mit
einer Isolierschicht 24 umgeben. Die Kühlkanäle 21 bilden also einen thermischen
Puffer zwischen den Leitern 18 und der Wicklungshülse 22, so daß die in den Leitern
18 auftretenden Temperaturen nicht unmittelbar auf die Wicklungshülse 22 einwirken.
Die Isolierschicht 24 der einzelnen metallischen Kühlkanäle 21 entspricht in ihrer
Stärke und Durchschlagfestigkeit der Niederspannungsisolation 23 der Leiter 18.
Die Kühlkanäle 21 können auch aus Isoliermaterial bestehen; Voraussetzung ist dabei
lediglich, daß dieses Isoliermaterial :eine genügende mechanische Festigkeit besitzt,
um die beim Herstellen der Wicklungshülse 22 auftretenden Preßkräfte auszuhalten.
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Für die Wicklungshülse 22 kann beispielsweise ein Isolierstoff der
Klasse B mit einer höchstzulässigen Dauertemperatur von 130° C verwendet werden.
Die Niederspannungsisolation 23 der Leiter 18 ist entsprechend der höheren zulässigen
Dauertemperatur der Leiter 18 zu wählen, kann also beispielsweise aus einem Isolierstoff
der Klasse H mit einer höchstzulässigen Dauertemperatur von 180 oder gar 200° C
und mehr bestehen. Die Isolierschicht 24 der Kühlkanäle 21 kann aus dem gleichen
Isolierstoff wie die Niederspannungsisolation 23 gewählt werden. Da die Kühlkanäle
21 aber nur mit einer Seite an den Leitern 18 anliegen, genügt es allerdings, für
die Isolierschicht 24 einen Isolierstoff zu verwenden, dessen höchstzulässige Dauertemperatur
niedriger als die höchstzulässige Dauertemperatur der Niederspannungsisolation 23
liegt.
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Abweichend von der obenerwähnten Anordnung, bei der die Innenfläche
der Wicklungshülse praktisch die gleiche Temperatur wie die heißen Leiter hat, ergibt
sich bei der Anordnung gemäß der Erfindung durch die thermische Pufferwirkung der
Kühlkanäle eine Herabsetzung der Temperatur der Wicklungshülse auf nahezu die gleiche
Temperatur, wie sie die flüssigkeits- oder gasgekühlten Kühlkanäle aufweisen. Die
durch die Wahl des Isolierstoffes für die Wicklungsstäbe festgesetzte höchstzulässige
Hülsentemperatur beschränkt also lediglich die Temperatur der Kühlkanäle, nicht
aber die der Leiter. Der hierdurch bedingte Vorteil liegt .darin, daß für die Leiter
eine Temperatur zugelassen wird, welche beträchtlich über der höchsten Kühlkanaltemperatur
liegt, welche praktisch der höchsten Temperatur des durch die Kühlkanäle fließenden
Kühlmediums - Wasserstoff oder eine andere Kühlflüssigkeit - entspricht. Da die
Geschwindigkeit, mit der die Wärme der erwärmten Leiter durch das Kühlmedium abgeführt
werden kann, von dem Temperaturgefälle zwischen Kühlmedium und Leitern abhängt,
bringt die durch die Erfindung ermöglichte Erhöhung der zulässigen Leitertemperatur
eine wesentliche Erhöhung des Nennstromes der Ständerwicklung mit sich, obwohl gegenüber
der obenerwähnten Anordnung bei vorgegebener Nutenfläche der wirksame Leiterquerschnitt
verringert worden ist.