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Anordnung zur Kühlung der Läuferwicklung elektrischer Synchronmaschinen
mit ausgeprägten Polen Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung der Läuferwicklung
elektrischer Synchronmaschinen mit ausgeprägten Polen, deren Spulenwindungen aus
einem hochkant, mit Abstand gegenüber dem Polkern gewickelten Leiter bestehen, der
auf mindestens einer seiner nach der Wicklung aufeinanderliegenden Flächen zur Bildung
von Kühlkanälen in Richtung der Leiterbreite verlaufende Aussparungen aufweist,
wobei ein gasförmiges Kühlmittel entweder über die Basis des Pols oder über in den
Polschuhen vorgesehene Öffnungen in den Raum zwischen Polspule und Polkern eintritt.
Mit Polrad arbeitende Synchronmaschinen, insbesondere durch Hydraulik-Turbinen angetriebene
Wechselstromgeneratoren hoher Leistungen sind mit einem radförmigen Läufer ausgestattet,
auf dessen Radkranz die induzierenden Polkerne befestigt sind.
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Es ist bereits bekannt, solche Polkerne und ihre Erregerspulen in
axialer oder radialer Richtung durch Luftumströmung um die Pole und ihrer Induktionsspulen
zu kühlen. Es ist hierbei üblich, die induzierte Wicklung von Synchronmaschinen
großer Leistung durch eine einzige Lage von Windungen eines pro Feld gewickelten
Leiters rechteckigen Querschnitts zu bilden.
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Bekanntlich wurde die Kühlung der Läuferwicklung auch dadurch schon
verbessert, daß zwischen ihr und dem Polkern, auf dem sie angeordnet ist, ein Zwischenraum
frei gelassen ist, so daß das Kühlgas nicht mehr allein auf der äußeren Oberfläche
der Wicklung, sondern auch auf der dem Polkern gegenüberliegenden Innenfläche strömen
kann. Der Eintritt des Kühlgases kann also entweder über dem oberen Bereich des
Pols über in den Polschuhen vorgesehene Öffnungen oder über die Basis des Pols erfolgen.
Ferner ist es bereits bekannt, das Kühlgas in und aus dem zwischen dem Polkern und
der Wicklung vorhandenen Raum ein- und austreten zu lassen, und zwar über Aussparungen,
die längs der Breite des Leiters gerichtet und am oberen und am unteren Teil der
Wicklung auf mindestens einer der Flächen des Leiters ausgeführt sind, die nach
Wicklung übereinanderliegen. Diese Kühlanordnungen verdoppeln etwa die von dem Kühlgas
bestrichene Oberfläche. Auch ist eine noch wirkungsvollere Kühlung schon bekanntgeworden,
die darin besteht, längs des Leiters Rillen vorzusehen, um mit ihnen Längskanäle
für die Kühlung zu bilden, wobei das Kühlgas an den Enden der Pole eintritt und
in der Mitte der Längsseite der Polspulen wieder austritt. Eine solche Ausführung
der Kühlanordnung führt jedoch zu einer verwickelten Bauweise, und zwar vor allem
für den Eintritt und den Austritt des Kühlgases, die mehrfache Fräsarbeiten und
dichte Anschlußeinrichtungen erforderlich machen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs
erwähnten Art zu schaffen, die bei einfachen Herstellungskosten und bei einer Ersparnis
an Material eine wirkungsvolle Lüftung der induzierenden Spulen und der Polkerne
ermöglicht. Dies wird bei der Kühlanordnung der einleitend erwähnten Bauweise dadurch
erzielt, daß erfindungsgemäß die Aussparungen auf der gesamten Leiterlänge vorgesehen
sind, so daß die gesamte Polspule von quer zur Polachse verlaufenden Kühlkanälen
durchsetzt ist, welche von dem aus dem Raum zwischen Polspule und Polkern austretenden
gasförmigen Kühlmittel durchströmt werden. Die vorragenden Leiterteile bewirken
hierbei das mechanische Zusammenhaften der Gesamtheit der Windungen, die im Betriebszustand
beträchtlichen Fliehkräften unterworfen werden, die sie einander zu nähern versuchen,
während die eingezogenen Leiterteile querlaufende Zwischenräume oder Luftkanäle
frei lassen, über die quer durch die Induktorspule der Kühlluftstrom oder ein sonstiges
Kühlgas getrieben werden kann.
Die Herstellung der Läuferwicklung
bei einer Kühlanordnung gemäß der Erfindung ist besonders einfach unter Verwendung
eines durch Walzen kannelierten Leiters, bei dem jegliche Fräsarbeit vermieden wird.
Die erzielte Kühlung ist äußerst wirkungsvoll; die mit dem Kühlgas in Berührung
gelangende Leiteroberfläche kann nämlich mehr als fünfmal größer als in den vorerwähnten
bekannten Kühlanordnungen sein, bei denen man gleichzeitig die Innenfläche und die
Außenfläche der Wicklung kühlt, nicht aber das Innere der Läuferwicklung selbst.
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Die Berechnung zeigt, daß der Kühlluftstrom in den erfindungsgemäß
gebildeten Luftkanälen gewöhnlich laminar ist. Demzufolge führen die ganz besonders
thermischen Eigenschaften dieser Strömungsart (der Wärmeaustauschkoeffizient ist
unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit und umgekehrt proportional der Dicke
des Luftkanals) dazu, sehr schmale Luftkanäle (z. B. 1 bis 3 mm) zu verwenden, die
mit den Bedingungen minimaler Steigerung des elektrischen Widerstandes des Induktors
bei der guten Walzfertigung des ausgekehlten Leiters und mit den ständig verwendeten
mittleren Kupferstärken vereinbar sind.
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In der Zeichnung sind Kühlanordnungen der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Art in mehreren beispielsweise gewählten Ausführungsformen schematisch veranschaulicht.
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F i g. 1 bis 7 zeigen verschiedene Arten der Bildung der Läuferwicklung
in einer Kühlanordnung gemäß der Erfindung; F i g. 8 und 9 geben für eine Kühlanordnung
gemäß der Erfindung Beispiele des Kühlluftstroms an. F i g. 1 stellt einen gekehlten
Leiter dar, der aufeinanderfolgend auf einer seiner Flächen vorragende Teile 1 und
eingezogene Teile 2 besitzt, während seine andere Fläche 3 eben ist.
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F i g. 2, 3 und 4 zeigen drei verschiedene Arten von Auskehlungen,
wobei in dem Ausführungsbeispiel der F i g. 3 beide Flächen des Leiters solche Auskehlungen
aufweisen. Die F i g. 5, 6 und 7 lassen erkennen, wie sich durch Übereinanderlegen
der ausgekehlten Leiter Luftkanäle 4 schaffen lassen. Das Zusammentreffen von Hohlräumen
zwischen benachbarten Windungen der Läuferwicklung wird dadurch erre=_'cht, daß
die Windungen gleiche Abmessungen besitzen und daß die Teilung zwischen Hohlräumen
entsprechend gewählt ist. Im Falle der F i g. 7 sind zwei Leiter übereinander angeordnet
und lassen einander zugewandt zwischen sich Luftkanäle 4
frei.
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In üblicher Weise können mehrere Leiter übereinander vorgesehen und
gegeneinander isoliert oder nichtisoliert sein. Zahlreiche Abwandlungen können hierbei
unter anderem in Betracht gezogen werden, in dem die absoluten und relativen Längen
und Tiefen der Hohlräume und Vorsprünge der Oberfläche des Leiters geändert werden.
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F i g. 8 stellt eine Induktorwicklung dar, die mittels eines ausgekehlten
Leiters gebildet und auf einem Polkern 5 angeordnet ist. Der Kühlluftstrom tritt
an der Basis des Polkernes gemäß dem Pfeil 6 ein; er dringt längs des Pfeils 7 in
den zwischen der Spule und dem Polkern 5 vorhandenen Raum 8 ein und tritt aus ihm
über die in der Spule gemäß der Erfindung vorgesehenen Kühlluftkanäle 4 längs der
Pfeile 9 wieder aus.
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F i g. 9 zeigt wie F i g. 8 eine auf einen Polkern 5 aufgebrachte
Induktorspule. Jedoch wird hier der Kühlluftstrom gemäß dem Pfeil 10 in den
dem Luftspalt der Maschine benachbarten Bereich des Läuferpols mittels in die Polschuhe
des Polkernes 5 versetzt eingebrachter Öffnungen 11 eingeführt. Hierbei wird der
sich an dieser Stelle aus der Drehung des Läufers ergebene dynamische Druck ausgenutzt;
die öffnungen 11 sind gegebenenfalls geneigt, um den verfügbaren dynamischen Druck
besser auszunutzen.
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Die beispielsweise zuvor beschriebenen Arten der Einführung der Kühlluft
zwischen Spule und Polkern können miteinander kombiniert werden, und es kann auch
ein anderes gasförmiges Kühlmittel verwendet werden.