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Flüssigkeitsgekühlte Wicklung für elektrische Maschinen mit zwischen
den Teilleiterreihen angeordneten Einzelkühlkanälen Die Erfindung bezieht sich auf
direkt gekühlte Wicklungen elektrischer Maschinen, insbesondere von Ständerwicklungen,
für Wechselstrom-Turbogeneratoren, bei denen die Verlustwärme durch ein flüssiges
Kühlmittel aus dem Inneren der Leiterstäbe abgeführt wird.
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Es ist bekannt, bei derartigen Wicklungen die verdrillten Leiterstäbe
aus stromführenden Hohlleitern aufzubauen. Bei derartigen Wicklungen ergeben sich
- abgesehen von der verhältnismäßig schwierigen Fertigung -ungünstige Verhältnisse
vor allem dadurch, daß die Querschnitte der Kühlkanäle nur sehr klein ausgeführt
werden können. Infolgedessen ergibt sich die Gefahr der Verschmutzung. Vor allem
aber ergeben sich Schwierigkeiten dadurch, daß wegen der kleinen Kühlkanalquerschniltte
eine große Anzahl von parallelen Kühlkanälen in den elektrisch in Reihe geschalteten
Leitern vorgesehen werden müssen, was erhebliche Komplikationen bezüglich der Ausführung
der Leiterverbindungen, des Anschlusses und der Anordnung der Kühlmittelzu- und
-ableitkanäle zur Folge hat.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein vorteilhaftes System für flüssigkeitsgekühlte
Wicklungen elektrischer Maschinen, bei dem von dem bekannten Prinzip der Einschaltung
gesonderter Kanäle aus Widerstandsmaterial zwischen den Teilleitern bzw. Teilleiterreihen
der Leiterstäbe Gebrauch gemacht wird, um sowohl größere Kanalquerschnitte wie eine
wesentlich vereinfachte Schaltung der Kühlkanäle zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die in bekannter Weise
sowohl gegeneinander wie gegenüber den Seiten der angrenzenden stromführenden Massivleiter
isolierten Teilkühlkanäle in den einzelnen Leiterstäben über den ganzen Wicklungsstrang
oder einen wesentlichen Teil desselben elektrisch leitend und abgedichtet einzeln
durchgehend verbunden und die parallelen Kühlzweige durch Verschränkung der Verbindungen
an den Stirnköpfen verdrillt oder spulenweise derart kurzgeschlossen sind, daß das
Auftreten größerer Spannungsdifferenzen zwischen den Teilkanälen eines Stabes verhindert
wird und zugleich größere Ausgleichsströme innerhalb des aus den parallelen Teilkanälen
zusammengesetzten Kühlkanalsystems unmöglich gemacht werden.
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Die endungsgemäße Wicklungsausbildung hat den 'eil, daß bei Wicklungen
mit zahlreichen Stäben oder Spulen eine zuverlässige Reihenschaltung der große Querschnitte
aufweisenden Widerstands- ; kühlkanäle durch metallische Verbindung der Teilkanäle,
z. B. durch Verlötung, herbeigeführt werden kann. Hierbei ist wesentlich, daß trotz
der Zusammenschaltung einer größeren Anzahl von den Stäben oder Spulen zugeordneten
Kühlkanälen die in Leitern durch die Streuflüsse hervorgerufenen Spannungsdifferenzen
denkbar gering gehalten werden können, was im Hinblick auf die Stärke der erforderlichen
Isolierung zwischen den Kühlkanälen selbst von besonderer Bedeutung ist.
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Im folgenden soll die Erfindung näher an Hand einiger Ausführungsbeispiele
erläutert werden, die in den Figuren der Zeichnung schematisch wiedergegeben sind.
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Fig. 1 gibt einen Schnitt durch einen Leiterstab wieder; Fig.2 zeigt
das Schaltschema einer Phase eines erfindungsgemäß ausgebildeten Generators; Fig.
3 läßt näher die Anordnung und Verdrillung der Kühlkanäle erkennen; Fig. 4 und 5
geben Einzelheiten der Ausbildung der Verbindung der Teilkühlkanäle an den Wickelkopfenden
wieder; Fig. 6 zeigt das Schema eines Kühlkanalsystems mit bündelweiser Verdrillung;
schließlich geben Fig. 7 und 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit spulenweisem
Kurzschließen der Kühlkanäle wieder. In der einen Schnitt durch einen Leiterstab
der Wicklung wiedergegebenen Fig. 1 bedeuten 1 und 2 zwei aus Teilleitern aufgebaute
Teilstäbe, die in. bekannter Weise zur Herabsetzung der Zusatzverluste nach dem
Röbelprinzip verdrillt sind. Zur Wärmeabfuhr
sind zwischen den
beiden innenliegenden Seiten der Teilstäbe aus Widerstandsmaterial bestehende Kühlkanäle
31 bis 34 von rechteckigem oder quadratischem Querschnitt eingeschaltet, die beispielsweise
eine Breite von 8 bis 12 mm aufweisen. Die einzelnen Teilkanäle 31 bis 34 sind sowohl
untereinander wie gegenüber den Teilstäben 1 und 2 isoliert. Durch die Kühlkanäle
31 bis 34 wird ein flüssiges Kühlmittel, z. B. destilliertes Wasser,- hindurchgeführt.
Mit 5 ist die Nutenisolierhülse bezeichnet, die in üblicher Weise aus geschichtetem,
vorzugsweise glimmerhaltigem Isoliermaterial mit Schellack oder Kunstharztränkung
aufgebaut ist und eine größere Wandstärke von mehreren Millimetern entsprechend
der Maschinenspannung aufweist.
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In Fig. 2 ist das Schema eines Phasenstranges einer Wicklung mit erfindungsgemäßer
Ausbildung der Leiterkühlung wiedergegeben. Mit 11 bis 19 seien die Oberstäbe, mit
21 bis 29 die Unterstäbe bezeichnet, deren Wickelkopfteile in der üblichen Weise
zur Bildung der Spulen zusammengeschaltet sind. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung
sind nun die einzelnen Teilkühlkanäle (entsprechend Position 31 bis 34 der Fig.
1) - wie durch den gestrichelten Linienzug 11'-19', 21'-29' angedeutet ist - entsprechend
der Wicklungsausbildung in Reihe geschaltet.
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Da der innerhalb der Wicklungsstäbe geführte Kühlstrang - welcher,
wie gesagt, beispielsweise aus vier Teilkanälen gebildet ist - gewissermaßen eine
zusätzliche Wicklung bildet, werden in diesem wie in der eigentlichen Maschinenwicklung
durch Nutz- und Streufelder Spannungen induziert. Man erkennt an Hand der Fig. 2
leicht, daß die vorgesehene Ausbildung des Kühlkanalsystems den großen Vorteil bietet,
daß nur am Anfang und Ende der Wicklung die Zu-und Ableitung des Kühlmittels erfolgt.
Diese Vereinfachurig der Kühlmittelführung ist im wesentlichen dadurch bedingt,
daß es möglich ist, die zwischen den Teilleitern liegenden Kanäle mit einem verhältnismäßig
großen Querschnitt auszuführen. Da bei dem vorgeschlagenen Kühlsystem an den Enden
der Wickelköpfe der einzelnen Spulen Kühlmittelzu- und -ableitungen entfallen können,
ergibt sich bei der vorgeschlagenen Wicklungsausbildung die Möglichkeit einer besonders
einfachen, zuverlässigen Ausführung des Kühlkanalsystems, wobei die Teilkühlkanäle
an ihren Enden absolut dicht und zuverlässig durch aufgelötete, zusätzliche Rohrstücke
verbunden werden können. Wie Fig. 3 der Zeichnung erkennen läßt, werden nun die
Teilkühlkanäle durch entsprechende Gestaltung der Schaltverbindungen an ihren Enden
verdrillt, d. h. derart durch die einzelnen Nuten geführt, daß die Teilkühlkanäle
entweder einzeln oder bündelweise in den- verschiedenen Höhenlagen der Nuten zu
liegen kommen. In Fig. 3 seien wieder mit 31 bis 34 die Teilkanäle bezeichnet. Die
Anordnung ist hierbei derart getroffen, daß jeweils nach dem Durchlaufen einer Spule
infolge Verschränkung in den Stirnverbindungsenden die Teilkanäle zyklisch in eine
andere Höhenlage geführt werden. Man erkennt, daß es durch diese Schaltung ohne
weiteres ermöglicht wird, die durch das Streufeld induzierten Zusatzspannungen im
wesentlichen gleichzuhalten und größere Spannungsdiffeienzen zu verhindern. Auch
wird das Auftreten größerer Kurzschlußströme beim Kurzschließen der Teilkanäle an
den Anschlußstellen z. B. der Zu- und Ableitungen verhindert. Bei dem Ausführungsbeispiel
der Fig. 1 bis 3 war zur Vereinfachurig angenommen, daß innerhalb eines Leiterstabes
zwischen den Teilleitern vier übereinanderliegende Teilkanäle vorhanden sind. Bei
größeren Leiterstäben wird im allgemeinen eine größere Anzahl von Kühlrohren vorhanden
sein. Fig.4 der Zeichnung gibt die Ausführung der Verbindung der Kühhnittelkanäle
an einer Verdrillungsstelle im Wickelkopf wieder. Wie aus der Fig. 4 ersichtlich
ist, können beim Vorhandensein von n Kanälen n-1 Kanäle durch einfache ineinanderliegende
U-förmige Rohrverbinder verbunden sein, die durch Löturig mit den Teilkühlkanälen
verbunden sind, während eine weitere Verbindung als Kröpfverbindung ausgeführt werden
muß. Man erkennt, daß sich die erforderliche Verschränkung der Teilkanäle ohne größere
Schwierigkeiten im Wickelkoplbereich neben den Verbindungen der Wicklungsleiter
durchführen läßt. Fig. 5 der Zeichnung gibt noch eine einfache Normalverbindung
ohne Verdrillung der Enden der Teilkanäle wieder.
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Der Gedanke der Verdrillung der durch den ganzen Wicklungsstrang hindurchgeführten
Teilkühlkanäle kann selbstverständlich in der verschiedensten Weise modifiziert
werden, wodurch unter Umständen eine wesentliche Vereinfachung erreicht werden kann.
So ist es beispielsweise möglich, die übereinanderliegenden Teilkanäle bündelweise
zusammenzufassen und jeweils eine Anzahl von Bündeln in ähnlicher Weise - wie dies
an Hand der Fig. 3 gezeigt wurde - durch Verschränkung an den Verbindungsstellen
der Leiter oder der Spulen zu verdrillen.
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Es würde also in diesem Falle an die Stelle des Rohrkanals 31 ein.
Kanalbündel 311 bis 314 bzw. an Stelle des Kanals 32 ein Bündel aus den Teilkanälen
321 bis 324 und an Stelle des Kanals 33 das Kanalbündel 331 bis 334 treten - wie
Fig. 6 zeigt. Im einfachsten Falle können die Kühlkanäle in zwei Bündel zerlegt
werden. Es sei bemerkt, daß die bündelweise Verdrillung in gewisser Beziehung Vorteile
aufweist, da die maximal zwischen zwei Kühlkanälen eines Stabes bzw. die zwischen
unmittelbar benachbarten Kühlkanälen eintretenden Spannungen verhältnismäßig klein
gehalten werden können.
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Die Fig. 7 und 8 zeigen ein anderes Ausführungsbeispiel, das sich
vorzugsweise auf Maschinen mit geringerer Leistung bezieht. Diese Anordnung zeichnet
sich dadurch aus, daß die durch den Wicklungsstrang hindurchgeführten, elektrisch
in sich leitend durchverbundenen Teilkühlkanäle nicht mehr durch Verschränkung an
den Verbindungsstellen im Wickelkopfbereich verdrillt werden, sondern bei gleicher
Lage in den Nuten spulenweise kurzgeschlossen werden.
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Im folgenden sei die Ausführung einer derartigen Wicklung an Hand
der Fig. 7 erläutert. In der genannten Figur ist perspektivisch für eine Spule das
Kühlkanalsystem angedeutet. Die in dem Spalt zwischen den nicht dargestellten Wicklungsleitern
des Oberstabes angeordneten Teilkühlkanäle sind mit 101 bis 104 bezeichnet. Diese
Teilkanäle sind durch einfache und etwa U-förmige Bügel 111 bis 114 mit den Teilkanälen
101' bis 104' des Unterstabes verbunden, wobei die Kanäle 101 bis 104 im oberen
Teil. der einen Nut und die Kanäle 101' bis 104' in' der unteren Lage einer .anderen
Nut liegen. Wie ferner Fig. 7 erkennen läßt, sind am Anfang und Ende des einer Spule
zugeordneten Kühlsystems, das aus den Teilkanälen 101 bis 104 bzw. 101' bis 104'
gebildet
wird, sämtliche Teilkühlkanäle bei 110 kurzgeschlossen.
Fig. 8 gibt schematisch die Zusammenschaltung des Kühlkanalsystems eines Wicklungsstranges
wieder. Die Ausbildung des Kühlsystems nach den Fig. 7 und 8 hat den großen Vorzug,
daß die Spannungsdifferenzen innerhalb der Kühlkanalbündel bzw. benachbarter Kühlkanäle,
die durch die Nutenstreufelder hervorgerufen werden, besonders klein gehalten werden
können. Die erfindungsgemäß vorgesehene spulenweise Verbindung der Kühlmittelteilkanäle
hat hierbei gleichzeitig die Wirkung, daß auch die Sehlingströme in den durch die
Kurzschlußverbindungen hervorgerufenen Schleifen verhältnismäßig gering gehalten
werden, weil sich infolge der verschiedenen Lage der in Reihe geschalteten Spulenseiten
in der Nut und im Nutenstreufeld die Spannungsunterschiede der kurzgeschlossenen
Schleifen z. B. aus den Teilkanälen 101-101', 102-102' usf. verhältnismäßig gering
sind. Direkte Berechnungen für einen 170-MVA-Generator haben ergeben, daß bei dieser
Anordnung die maximalen Spannungen benachbarter Kühlkanäle auf 4 Volt, die maximal
überhaupt auftretenden Spannungen zwischen zwei Kühlkanälen auf 10 Volt bei Nennstrom
begrenzt werden können und daß die durch die Kurzschlußverbindung hervorgerufenen
Zusatzverluste größenordnungsmäßig sich auf etwa 12% der ohmschen Ständerwicklungsverluste
belaufen. Gegenüber den vorerwähnten Ausführungen mit Verdrillung der Kühlmittelkanäle
stellt dies zwar eine gewisse Erhöhung der Zusatzverluste dar, die jedoch unter
Umständen wegen der Vereinfachung der Schaltung der Kühlmittelteilkanäle in Kauf
genommen werden kann.
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Die letzterwähnte Anordnung kann unter Umständen noch vereinfacht
werden, indem statt in jeder Spule erst in jeder zweiten oder dritten Spule die
Teilkühlkanäle eines Stabes leitend miteinander verbunden werden.
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Die Erfindung kann bei Ein- und Mehrphasenwicklungen ebenso wie bei
Wicklungen mit einem oder mehreren parallelen Wicklungssträngen Anwendung finden.
Sind beispielsweise zwei parallele Wicklungszweige je Phasenstrang vorhanden, so
ergibt sich eine besonders vorteilhafte Anordnung, wenn bei Sternschaltung der Wicklungsstränge
das Kühlmittel den Kühlsystemen der Stränge auf der Sternpunktseite zugeführt und
ebenso auf der Sternpunktseite wieder abgeführt wird, wobei die dem Sternpunkt abgewandten
Enden der Kühlmittelkanäle zur Umleitung des Kühlmittels miteinander verbunden sind.