DE1054159B - Staenderwicklung fuer Wechselstrommaschinen mit direkter Leiterkuehlung - Google Patents

Staenderwicklung fuer Wechselstrommaschinen mit direkter Leiterkuehlung

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DE1054159B
DE1054159B DEW17769A DEW0017769A DE1054159B DE 1054159 B DE1054159 B DE 1054159B DE W17769 A DEW17769 A DE W17769A DE W0017769 A DEW0017769 A DE W0017769A DE 1054159 B DE1054159 B DE 1054159B
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Germany
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winding
conductor
cooling channels
conductors
stator winding
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Pending
Application number
DEW17769A
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English (en)
Inventor
Harry T Akers
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CBS Corp
Original Assignee
Westinghouse Electric Corp
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00Arrangements for cooling or ventilating
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00Details of windings
    • H02K3/04Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/24Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors with channels or ducts for cooling medium between the conductors

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Windings For Motors And Generators (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zur Erläuterung der Erfindung ist in den Fig. 1 und 2 ein Ausführungsbeispiel dargestellt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Ständerwicklung für Wechselstrommaschinen, bei der innerhalb der sich über die ganze Länge der unterteilten Leiterstäbe oder Spulenseiten erstreckenden Isolierhülsen rohrförmige Kühlkanäle aus, einem mechanisch widerstandsfähigem Material angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, 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.
  2. 2. Ständerwicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolation der Teilleiter (18) der Leiterstäbe im Dauerbetrieb eine höhere Temperatur verträgt als die Wicklungshülse (22) des Leiterstabes.
  3. 3. Ständerwicklung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolation der Teilleiter (18) der Leiterstäbe im Dauerbetrieb eine höhere Temperatur verträgt als die Isolierschicht (24) der Kühlkanäle (21). 4. Ständerwicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichneßt, daß die Kühlkanäle aus Isolierstoff bestehen. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 225219, 280879, 283 698; schweizerische Patentschrift Nr. 96 244; französische Patentschriften Nr. 1022 594, 1067 639; britische Patentschrift Nr. 21822 vom Jahre 1912; USA.-Patentschrift Nr. 2 695 368. In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 948 713.
DEW17769A 1954-11-23 1955-11-03 Staenderwicklung fuer Wechselstrommaschinen mit direkter Leiterkuehlung Pending DE1054159B (de)

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