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Luftspaltabdeckung auf der Hochdruckgasseite einer gasgekühlten dynamoelektrischen
Maschine Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Verringerung des Luftspaltes
von elektrodynamischen Maschinen, die hohe Differentialgasdrücke haben. Insbesondere
bezieht sich die Erfindung auf eine verbesserte Konstruktion einer derartigen Einrichtung,
bei der der Staukörper durch Segmente gebildet wird, die fest in den Statorkernnuten
sitzen.
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Bei mit Kühlkanälen versehenen dynamoelektrischen Maschinen, d. h.
bei Generatoren, bei denen sich Kühlkanäle innerhalb der Isolierung der Wicklung
befinden, um die Wicklungsdrähte direkt zu kühlen, werden gewöhnlich Gebläse mit
hohem Differentialgasdruck verwendet, um das Kühlgas durch die langen Kanäle von
geringem Querschnitt zu pressen. Wenn ein derartiger hoher Differentialgasdruck
verwendet wird, so wird manchmal ein Staukörper vorgesehen, um den Gasstrom durch
den Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor zu vermindern, da ein derartiger
Kühlgasstrom nicht zu den Wicklungs- und Kernkühlkanälen fließen und so nur eine
geringe Kühlung ergeben würde.
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Die bisherigen Luftspaltstaukörper bestehen aus einem einstückigen
Ring, der am Ende des Kernes an den Statorwindungen befestigt ist, und haben manchmal
einen Ring aus Gummi oder ähnlichem Material, der am inneren Umfang befestigt ist,
damit eine enge Ringöffnung rund um die Rotorfläche entsteht. Bei diesen bisherigen
Staukörpern treten zahlreiche Probleme auf, die sich auf die Anbringung, den Rotorausbau
und die Installation sowie auf die Einstellbarkeit und im Falle von Gummistaukörpern
auf die Betriebssicherheit der nachgiebigen Dichtung beziehen. Die einstückigen
Ringe sind auch elliptischen Verformungen ausgesetzt, so daß die Gefahr besteht,
daß Reibung und eine ungleichmäßige Spaltbreite entsteht.
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Der Luftspaltstaukörper nach der Erfindung weist Segmente auf, die
fest in den Statorkeilnuten sitzen. Diese Segmente erstrecken sich radial in Richtung
zum Rotor und bilden eine ringförmige Verengung für die Strömung des Kühlgases,
das den Luftspalt durchzieht. Eine geeignete Wahl der Segmentstärke ermöglicht eine
Einstellung der Verengung, so daß sich ein gleichförmiger Spalt über den gesamten
Rotorumfang ergibt. Die Segmente sind mit Gewindelöchern zum Ein- und Ausbau bei
eingebautem Rotor versehen. Die Segmente können auch eingestellt werden, indem Segmente
von verschiedener radialer Länge bei eingebautem Motor eingesetzt werden. Auf diese
Weise können die. Segmente den Kühlgasstrom durch den Luftspalt genauer begrenzen.
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Die Einrichtung zur Verhinderung des Gasstromes durch den Luftspalt,
die zahlreiche Segmente aufweist, hat den Vorteil, daß sie billiger herzustellen
ist als ein einstückiger großer Isolierstoffring, z. B. aus einer Phenolverbindung,
von großem Durchmesser und auch billiger als ein einziger Gummiring. Die Segmente
sind leichter einzubauen und in die richtige Lage zu bringen als ein einziger Ring.
Sie können eingesetzt werden, nachdem der Rotor eingebaut worden ist, während ein
einziger Ring eingesetzt werden muß, bevor der Rotor eingebaut wird, und in hohem
Maße die Öffnung begrenzt, durch die der Rotor eingesetzt wird.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte
Luftspaltabdeckung auf einer Stirnseite einer Dynamomaschine zu schaffen, die hohe
Differentialgasdrücke aufweist.
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In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung soll die Luftspaltabdeckung
auch nach dem Einbau des Rotors eingesetzt werden können, sie soll leicht auswechselbar
sein und eine nachträgliche Veränderung der Luftspaltgröße ohne Ausbau des Rotors
ermöglichen. Außerdem soll sie billig sein.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung
im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Es zeigt Fig.1 eine Schnittansicht einer elektrischen
Dynamomaschine mit der Segmentluftspaltabdeckung nach der Erfindung, Fig. 2 einen
Grundriß des Generator der Fig. 1, Fig. 3 eine Teilschnittansicht nach der Linie
III-III der Fig. 1, die die Lage der Segmente nach der Erfindung veranschaulicht,
und
Fig. 4 eine Teilschnittansicht nach der Linie IV-IV der Fig.
1, die die Wicklungskonstruktion wiedergibt.
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Wie aus den Zeichnungen hervorgeht, weist die völlig gekapselte Dynamomaschine,
nämlich der in Fig. 1 dargestellte Generator, einen Rotor auf, der auf einer Welle
20 sitzt oder aus einem Stück mit dieser Welle besteht, die in geeigneten Lagern
gelagert ist. Der Rotor hat einen genuteten Magnetkern 21, der mit einer Feldwicklung
versehen ist. Der Rotorkern 21 ist so gelagert, daß zwischen ihm und dem Stator
ein Luftspalt bleibt.
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Der Stator weist einen genuteten, aus Lamellen bestehenden Kern 23
mit einem ortsfesten zylindrischen Rahmen 24 und Abstützringen 25 auf, die innen
an dem Rahmen zur Halterung von in der Längsrichtung verlaufenden Rippen 27 befestigt
sind, auf denen sich die Statorkernlamellen befinden. Druckplatten 26 halten die
Lamellen zusammen. Gehäusedeckel 28, 29 sind an den Enden des Rahmens 24 befestigt,
und ihre radialen inneren Teile sind mit geeigneten Wellendichtungen versehen. Die
Deckel und der Rahmen bilden ein vollständig geschlossenes Gehäuse für die Maschine,
die normalerweise mit einem leichten Gas, wie z. B. Wasserstoff, gefüllt werden
kann. Das Gas kann einen Durchschnittsdruck, der gleich dem atmosphärischen Druck
ist, oder irgendeinen geeigneten Druck haben, wie z. B. 2 atü.
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Die in axialer Richtung verlaufende Wicklung 31 in dem Statorkern
23 kann irgendeine geeignete Kühleinrichtung aufweisen, bei der das Ventilationsgas
die Leitungen direkt oder praktisch direkt berührt. Wie aus Fig.3 hervorgeht, weist
die Wicklung vorzugsweise zusammengesetzte Kupfer- oder Aluminiumleiter 32 auf,
die in zwei Reihen an gegenüberliegenden Seiten einer Nut angeordnet sind. Um die
Wirbelströme in den Leitern zu reduzieren, sind die Leiter 32 vorzugsweise mit Isoliermaterial
überzogen und über Kreuz in der Nut verlegt. Die beiden Leiterreihen sind durch
Rohre 33 mit hohem Widerstand voneinander getrennt, die sich in einer Reihe längs
der Leitungen erstrecken. Die Stirnverbindungen der Leiter in verschiedenen Nuten
weisen eine Kupferklammer 35 auf, die die Enden der beiden Leiter umgibt. Die Enden
der Kühlrohre 33 erstrecken sich mit Öffnungen durch die Klammer 35, so daß Kühlgas
in die Rohröffnungen eintreten und bei guter Wärmeabfuhr von den Leitern von einem
Ende der Maschinen zum anderen durch die Rohre strömen kann.
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Der Statorkern 23 weist außerdem axiale Ventilationskanäle 36 in dem
Lamellenkern aus miteinander fluchtenden Öffnungen in den Lamellen auf, die an den
Stirnseiten des Eisenkernes zwischen den Fingern der Druckplatten 26 münden. Diese
Kanäle 36 sind verhältnismäßig klein im Querschnitt, so daß nur ein begrenzter Teil
des Statorkühlgases der Maschine dort hindurchströmt. Die Größe der Statorkanäle
36 und der durch die Röhre 33 gebildeten Kanäle ist so zueinander bemessen, daß
der Teil des Kühlgases, der dort hindurchströmt, den Statorkern und die Wicklung
auf praktisch gleicher Temperatur hält, wenn die Maschine mit Nennlast betrieben
wird, wobei eine Wärmedehnung zwischen den Leitern und dem Eisen des Statorkernes
im wesentlichen ausgeschaltet wird.
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Kühlgas wird im Kreislauf durch die Maschine mit Hilfe einer Gebläseeinrichtung
getrieben, die ein einziges Hochdruckgebläse 38 aufweist, das an einem Ende der
Maschine zwischen dem Gehäusedeckel 28 und dem Rotor- und Statorkern auf der Welle
20 angebracht ist. Das Gebläse 38 kann ein vielstufiges Zentrifugalgebläse sein,
ist jedoch vorzugsweise ein einstufiges Gebläse mit einem einzigen Schaufelrad 39,
dessen Durchmesser größer als der Innendurchmesser des Statorkernes ist. Die Einströmöffnung
40 für das Schaufelrad 39 befindet sich im Bereich der Welle und auf der den Kernen
zugewandten Seite. In radialer Richtung mit dem Schaufelrad 39 fluchtend, ist ein
Ringdiffusor 41 an der Innenseite des Gehäuses 24 angebracht.
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Die Wärme wird von dem zirkulierenden Gas durch einen oder mehrere
Kühler 43 abgeführt, die im Gehäuse angeordnet werden können aber auch, wie aus
Fig. 2 zu ersehen ist, längs der Maschine außerhalb des Maschinengehäuses sich befinden
können. Die Enden der Kühler sind durch geeignete Verbindungen 44, 45 mit Öffnungen
in dem Gehäuse verbunden. Die Verbindung 44 mündet in den Diffusor des Gebläses,
um das Gas von dem Diffusor aufzunehmen und die Verbindung 45 mündet in den Raum
48 an dem Gehäusedeckel 29 zur Zuführung von Kühlgas von verhältnismäßig hohem Druck
zu den axialen Durchströmkanälen im Rotor- und Statorkern. Eine Wand 29 die aus
einem Stück mit dem Gehäuse 24 besteht und sich außerhalb dieses Gehäuses befindet,
bildet einen Längskanal 46, der durch eine Öffnung 47 in dem Gehäuse 24 mit dem
Hochdruckgasraum 48 an dem Gehäusedeckel 29 verbunden ist. Das andere Ende des Längskanals
46 mündet in den Hochdruckgasraum 49 zwischen dem Gehäusedeckel 28 und dem Gebläse
38 für die Gaszuführung zu den Rotorleitern auf dieser Seite der Maschine.
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Zur Erzielung einer möglichst wirksamen Rotorbelüftung sind die Rotorwicklungen
in Nuten des Rotorkernes 21 angeordnet, so daß sich Belüftungskanäle 51 (in Fig.
4) ergeben, die das Gas in direkte Berührung mit dem Metall der Rotorwicklungsleiter
50 bringen. Die Leiter der axial verlaufenden Rotorwicklungen haben Stirnverbindungen,
die an dem Gebläseende des Kernes durch einen Haltering 52 und eine Endplatte 53
in ihrer Lage gehalten werden. Zusammen mit der Welle 20 und der benachbarten Stirnseite
des Rotorkernes bilden diese einen eingeschlossenen Raum 54 zur Aufnahme von zuströmendem
Gas. Axiale Verbindungskanäle, die den abgeschlossenen Raum 54 mit der Druckkammer
49 verbinden, sind durch Rippen 55 an der Welle gebildet, die durch einen Zylinder
56 abgedeckt sind.
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Am anderen Ende der Welle 20 sind die Stirnverbindungen der Rotorwicklungen
ebenfalls durch einen Haltering 57 und eine Endplatte 48 gehalten. Die Endplatte
48 hat Öffnungen 64, damit das Gas von dem Hochdruckraum 48 in einen Raum 59, der
durch die Endplatte 48, den Haltering 57 und den Rotorkern 21 sowie die Welle 20
gebildet wird, strömen kann. Die Halteringe 52 und 57 erstrecken sich normalerweise
radial über den Umfang des Rotorkernes hinaus, wie aus Fig. 1 zu ersehen ist.
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Radiale Gaskanäle, die in Fig. 1 in der Mitte des Rotors dargestellt
sind, verbinden die axialen Belüftungkanäle 51 des Rotors mit dem Luftspalt 61 des
Generators. Die radialen Gaskanäle 60 können über die Kernlänge verteilt oder in
der Mitte des Kernes konzentriert werden.
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Die Wicklung 31 wird in der Statornut in der üblichen Weise durch
Keile 62 gehalten, die in die Statorkeilnuten 63 von einem Ende des Stators getrieben
werden, bevor der Rotor eingesetzt wird. Nahe an dem radialen inneren Ende jeder
Statorkernnut sind die Keilnuten 63 vorgesehen. Die Keile 62 bestehen aus Isoliermaterial
und sind genügend stark und starr, nin die isolierten Leitungen der Wicklung 31
in der
Statorwicklungsnut zu halten. Diese Keile 62 erstrekken sich
normalerweise von einem zum anderen Ende des Statorkernes.
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Nach der Erfindung ist nun eine Luftspaltabdeckung 65 vorgesehen,
um die Gasströmung von der Kammer 48 auf der Hochdruckgasseite des Generators durch
den Luftspalt 61 parallel zu den Statorwicklungskühlkanälen 33 und den Rotorwicklungskühlkanälen
51 zu verhindern. Diese Luftspaltabdeckung 65 besteht erfindungsgemäß (Fig. 3) aus
Segmenten 66, die zusammen eine ringförmige Verengung des Luftspaltes 61 bilden.
Die Segmente 66 weisen einen schwalbenschwanzförmigen Teil 67 auf, der der Form
der Statorkeilnuten 63 entspricht.
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Bei der vorliegenden Maschine erstrecken sich die Statornutkeile 62
vorzugsweise ganz bis zum Ende des Kernes 23 an dem Ende der Maschine, an dem sieh
das Gebläse 39 befindet, und an dem anderen Maschinenende erstrecken sie sich bis
auf einige Zentimeter an das Ende des Kernes 23, so daß sie in den Keilnuten 63
Platz für die Segmente 66 der Luftspaltabdeckung frei lassen. Die Segmente 66 sind
mit einem Ansatz 68 versehen, der sich in radialer Richtung über den inneren Umfang
des Statorkernes hinaus und in Umfangsrichtung etwas bis zur halben Breite der Statorkernzähne
erstrecken, die durch die Wicklungsnuten gebildet werden. Wenn sich die Segmente
66 in den Keilnuten 63 befinden, so bilden aneinandergrenzende Ansätze 68 miteinander
eine vollständige, über den ganzen Umfang reichende stirnseitige Abdeckung des Luftspaltes
61 zur Beschränkung des Kühlgasstromes. Der Zwischenraum zwischen den einzelnen
Segmenten 66 und dem Haltering 57 der Rotorstirnverbindungen kann zur Bildung eines
gleichförmigen Spaltes 69 eingestellt werden, indem Segmente 66 mit einem Ansatz
68 ausgewählt werden, die die gewünschte radiale Tiefe haben.
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Gewindebohrungen 70 in den Segmenten 66 können zur Halterung der Segmente
in den Keilnuten 63 ebenso wie zum Ein- und Ausbau dienen. Ein einziges Gewindeloch
70 in der Mitte der Stirnseite des Segmentes 66 hat sich als ausreichend erwiesen.
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Der Kühlgasstrom durch den Luftspalt 61 von der Kammer 48 zum Gebläseeinlaß
40 ist durch die Teilabdeckung 65 verringert. Infolgedessen wird praktisch das gesamte
Kühlgas gezwungen, durch die Wicklungskühlkanäle 33, 51 sowie die Kernkühlkanäle
36 zur Kühlung der Maschine zu fließen. Da die -Abdeckung 65 Segmente 66 aufweist,
die nach Einbau des Rotors 21 eingesetzt und in ihrer Lage eingerichtet werden können,
ist eine genaue Einstellung der Luftspaltöffnung zwischen der Abdeckung 65 und dem
Haltering 57 der Rotorstirnverbindungen auch bei eingebautem Rotor 21 möglich.