DE1289176B - Halterung fuer eine mit Zugankern befestigte rotierende Erregerwicklung einer elektrischen Maschine - Google Patents

Description

äußeren Nutenrand oder den Nutenkeil abzufangen, io geteilter hohler Nutenstab, dessen dem Nutengrund ergibt keine befriedigende Lösung. Wärmeisolationen zugewandter Teil aus besonders hochsättigbarem mit gutem Wärmewiderstandswert sind nämlich sehr magnetischen Material besteht. Die Zuganker braudruckempfindlich. Eine die supraleitenden Wick- chen nicht so stark bemessen zu werden, daß sie die lungsstäbe umhüllende Wärmeisolation würde beim maximal auftretenden Zentrifugalkräfte ohne Scha-Rotieren der Wicklung am äußeren Rand der Stäbe 15 den aufnehmen können. Ein großer Teil dieser zusammengedrückt werden und dadurch ihre guten Kräfte soll ja durch die magnetischen Kräfte kom-Eigenschaften verlieren. Auch die bei Maschinen pensiert werden. Eine entsprechend schwächere mit normalleitender rotierender Erregerwicklung be- Dimensionierung kann man jedoch nur dann vorkannte Halterung der Erregerwicklung durch an der nehmen, wenn zwei Fälle berücksichtigt werden. Wicklung angreifende Zuganker ist bei Maschinen ao Man muß erstens Vorkehrungen dafür treffen, daß mit supraleitender Erregerwicklung für sich allein sich die magnetischen Kräfte im gleichen Maß nicht befriedigend. Diese Zuganker, welche die ändern wie die von der Drehzahl abhängigen Zen-Wärmeisolation der Wicklung durchdringen würden, trifugalkräfte. Dies erreicht man beispielsweise durch müßten sehr stark ausgebildet werden und hätten eine programmgesteuerte Erregung. Es kann zu diedaher nur einen geringen Wärmewiderstand. Die 25 sem Zweck auch die Zugkraft an den Zugankern Wärmeisolation der Wicklung würde dadurch stark gemessen und als Stellgröße für einen die Erregung beeinträchtigt. beeinflussenden Regler benutzt werden. Zweitens

Ziel der Erfindung ist es, eine Halterung für eine muß bei Maschinen, in deren Ständerkreis Kurzmit Zugankern befestigte rotierende Erregerwick- Schlüsse auftreten können, dafür gesorgt werden, daß lung einer elektrischen Maschine, vorzugsweise Syn- 30 sich diese nicht allzusehr auf die Erregung auswirchronmaschine, so auszugestalten, daß die großen ken. Dieses Problem soll zunächst im folgenden

etwas näher erläutert werden.

Bei ein- und mehrpoligen Kurzschlüssen auf der Ständerseite eines Turbogenerators mit supraleiten-35 der Erregerwicklung treten im Erregerkreis Wechselströme auf, die sich dem Erregergleichstrom überlagern. Die Wechselströme erzeugen im Supraleiter Verluste, die die Temperatur steigern. Außerdem wird der Maximalstrom in der Erregerwicklung gröschen dem Läufereisen und der Wicklung kompen- 40 ßer, so daß die Gefahr einer Überschreitung der siert werden. Sprungtemperatur, d. h. einer Transition der supra-

Die restlichen Zentrifugalkräfte können durch leitenden Wicklung besteht. In diesem Fall würde Zuganker aufgenommen werden, die an Umhül- der Erregerstrom in sehr kurzer Zeit auf fast Null lungen bzw. Tragteilen der Wicklung angreifen und zurückgehen, ohne daß die Drehzahl ebenso schnell wesentlich schwächer ausgebildet werden können, 45 verringert werden kann. Im Gegenteil, wegen des als dies ohne weitgehende Kompensation der Zentri- Wegfalls des Lastdrehmomentes kann die Drehzahl fugalkräfte durch magnetische Kräfte der Fall wäre. bis zum Eingreifen des Turbinenreglers sogar noch Durch die weitgehende Kompensation der Zentri- ansteigen. Die Zentrifugalkräfte auf die Wicklung fugalkräfte durch magnetische Kräfte wird erreicht, werden wegen des Wegfalls des Erregerstromes nicht daß die auf die Wicklungsteile ausgeübten Zentri- 50 mehr durch magnetische Kräfte kompensiert, so fugalkräfte nicht auf die die Wicklungsteile um- daß die nur schwach bemessenen Zuganker reißen gebende Wärmeisolation übertragen werden. Es kann wurden. Um solche Auswirkungen zu vermeiden, daher eine druckempfindliche Wärmeisolation mit muß die Erregerwicklung so ausgeführt werden, daß großem Wärmewiderstand verwendet werden. sie auch bei Kurzschlüssen nicht die Supraleitfähig-

Mit der bekannten Möglichkeit, Supraleiter durch 55 keit verliert. Hierzu gibt es die folgenden Maßein magnetisches Feld schwebend zu erhalten, bei der nahmen. Der Supraleiter der Erregerwicklung wird die diamagnetischen Eigenschaften von weichen so zahlreich ausgelegt, daß die Erwärmung durch Supraleitern ausgenutzt werden, hat die Erfindung, Wechselstrom und die Steigerung des Maximalstrombei der magnetische Kraftwirkungen zwischen dem wertes noch nicht zu einer Überschreitung des kri-Läufereisen und der stromdurchflossenen Wicklung 60 tischen Stromwertes führt. Man kann die schädausgenutzt werden, nichts zu tun. liehen Auswirkungen aber auch dadurch verhindern.

Eine Haltevorrichtung für eine supraleitende daß die Leerlauferregung so erhöht wird, daß die Wicklung, bei der die auf Wicklungsteile von ande- Ankerrückwirkung nur einen Bruchteil ausmacht, ren Wicklungsteilen ausgeübten magnetischen Kräfte Das erfordert zwar auch eine entsprechende Verdurch geeignete konstruktive Ausgestaltung bereits 65 größerung der supraleitenden Wicklung, bringt aber vorhandener und/oder geeignete Anordnung zu- Materialersparnisse bzw. eine bessere Ausnutzung sätzlicher Körper aus magnetischem Material weit- des Generators. Die Steigerung der Leerlauferregehend aufgehoben werden, wurde bereits vorge- gung kann durch eine Erhöhung der Luftspaltinduk-

auf die Wicklungsteile wirkenden Zentrifugalkräfte abgefangen werden, ohne daß die Wärmeisolation der Wicklung durch die Halterung wesentlich verschlechtert wird.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß bei einer supraleitenden Wicklungsausführung die auf die Wicklung wirkenden Zentrifugalkräfte weitgehend durch magnetische Kräfte zwi-

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tion bewirkt werden, wobei Ständerzähne und Lau- Tragteilen 3 der Wicklung angreifen und gegebenenfer in Sättigung gehen. Das Ständerjoch kann dabei falls in der Mitte am Läufereisen befestigt sind. Fig. 2 so weit vergrößert werden, daß das Eisen nicht läßt erkennen, daß in axialer Richtung des Läufers übersättigt wird. Die ausnutzbare Leistung des Ge- mehrere Zuganker vorgesehen sind. Da die Zugnerators steigt dann proportional mit der Luftspalt- 5 anker an dem auf supraleitender Temperatur befindinduktion. Die Eisenverluste im Ständer gehen zwar liehen Tragband angreifen, haben sie an dieser Stelle infolge des größeren Magnetflusses in die Höhe, die gleiche Temperatur wie der supraleitende Draht, trotzdem steigt der gesamte Wirkungsgrad, da Leer- Um Wärmeverluste über die Zuganker zu verhinlauf- und Kupferverluste nicht wachsen. Die ver- dem, sind diese ebenfalls gegenüber der Umgebung stärkte Läufererregung erleichtert die magnetische io wärmeisoliert. Sie befinden sich in Hülsen 7, die mit Kompensierung der Zentrifugalkräfte. Die Erhöhung Wärmeisolation 8 ausgefüllt sind. Die Zuganker und der Luftspaltinduktion und die Sättigung der Nuten- die hierdurch mechanisch verbundenen Wicklungszähne im Ständer würde die Ständerstreuung her- teile bilden in sich ein geschlossenes mechanisches absetzen und den Stoßkurzschlußstrom erhöhen. System. Alle Teile dieses Systems befinden sich Dem muß durch einen anderen Aufbau der Ständer- 15 auf sehr niedriger Temperatur. Bei geeigneter Erwicklung, z. B. durch größere und weniger Nuten, regung übt dieses System keine Radialkräfte auf den entgegengewirkt werden. Das Leerlauf-Kurzschluß- Rotorkörper aus. Lediglich Tangentialkräfte und verhältnis wird zweckmäßig gegenüber den heute Schwerkräfte sind hierbei nicht kompensiert und üblichen Werten von 0,8 bis 1,2 aufwerte über 2 ver- müssen durch die Wärmeisolation aufgenommen größert. Je mehr man von der zweiten Maßnahme, ao werden. Diese Kräfte sind aber im Vergleich zu den schädliche Auswirkungen im Kurzschlußfall zu ver- Zentrifugalkräften klein.

meiden, Gebrauch macht, desto weniger ist die erste Man kann sie auch noch dadurch ausschalten,

Maßnahme, die supraleitende Erregerwicklung über- daß man eine Verspannung wählt, wie sie in F i g. 3

zudimensionieren, erforderlich. Eine starke Dämp- dargestellt ist.

ferwicklung im Läufer kann helfen, die Stromspitzen 25 Im Zusammenhang mit den F i g. 1 und 2 soll

der Erregerwicklung herabzusetzen. noch der Aufbau des Läufers erläutert werden. Wie

In vielen Fällen wird es bei der erfindungsgemäßen aus F i g. 2 ersichtlich ist, besteht der Läufer aus Halterung genügen, wenn die radial nach außen einzelnen Lamellen 9. Diese sind, wie F i g. 1 erwirkenden Zentrifugalkräfte von der Wärmeisola- kennen läßt, so ausgebildet, daß sie sich in die tion abgehalten werden. Die auf die Wicklungsstäbe 30 fertige supraleitende Wicklung einschichten lassen, wirkenden Tangentialkräfte sowie die Schwerkräfte Die in F i g. 1 dargestellte oberste Lamelle 10 bekönnen häufig von der Wicklungsisolation aufge- sitzt winkelförmige Einschnitte 11, so daß die benommen werden. Man kann aber auch noch weitere treffende Lamelle von unten zwischen die Wick-Zuganker, vorzugsweise Nylonfäden oder Edelstahl- lungsstäbe eingeschoben werden kann. Die Verstäbe, vorsehen, die am Läufereisen befestigt sind 35 spannung geschieht durch Lamellenstücke 12, welche und die Wicklung in der gewünschten Lage fest- in die winkelförmigen Einschnitte 11 passen und in halten. Die Wicklungen werden zweckmäßig in einer Richtung der Läuferachse, d. h. senkrecht zur Zei-Ebene ohne Kröpfung gewickelt und bestehen dann chenebene von F i g. 1, in diese Einschnitte 11 einaus zwei geraden und zwei halbkreisförmigen Teilen. gelegt werden. Die axial hinter der Lamelle 10

Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele an 40 liegende Lamelle, welche die gleiche Form wie die

Hand von sieben Figuren näher erläutert. Es zeigen Lamelle 10 hat, wird nicht von unten, sondern von

jeweils in Schnittansichten oben zwischen die Wicklungsstäbe eingeschoben

F i g. 1 und 2 einen zweipoligen Läufer eines und durch, den Lamellenstücken 12 entsprechende,

Turbogenerators mit supraleitender Erregerwicklung, Lamellenstücke 13 gesichert. Nach dem wechsel-

F i g. 3 und 4 vergrößerte Darstellungen der 45 weisen Einschichten der einzelnen Lamellen wird

Nutenstäbe des Läufers, das Lamellenpaket durch axiale Stangen zwischen

F i g. 5 und 6 einen vierpoligen Läufer eines zwei Stirnteilen 15 verspannt.

Turbogenerators, Die F i g. 3 und 4 lassen einen vergrößerten Quer-

F i g. 7 einen zweipoligen Läufer eines Turbo- schnitt durch die Nutenstäbe 4 erkennen. Der Nutengenerators. 50 stab besteht aus einem inneren Teil 18, der aus einem

Die F i g. 1 und 2 zeigen einen zweipoligen Lau- Material besonders hoher Sättigungsinduktion, z. B. fer 1 eines Turbogenerators mit supraleitender Er- Kobalt-Eisen, gefertigt ist und aus einem äußeren regerwicklung 2. Die Erregerwicklung ist innerhalb Teil 19, der nicht magnetisch ist. Hierdurch wird eines bandförmigen Tragteiles 3 befestigt, das in erreicht, daß die durch die Erregung der supraleieinem hohlen Nutenstab 4 untergebracht ist. Der 55 tenden Wicklung 2 auf die Wicklungsteile ausgeübten Nutenstab ist fest im Läufereisen verkeilt und er- magnetischen Kräfte radial nach innen, also entstreckt sich, wie aus F i g. 2 ersichtlich ist, auch auf gegengesetzt zur Zentrifugalkraft, wirken. Das Tragdie Stirnseite des Läufers. Der ringförmige Hohl- band 3 besteht aus einem Material mit gut Wärmeraum zwischen dem Tragband 3 und dem Nuten- leitenden Eigenschaften, so daß durch die um das stab 4 wird durch eine druckempfindliche Wärme- 60 Tragband gewickelte Kühlschlange 20 der Supraisolation 5, beispielsweise Knitterfolien, ausgefüllt. leitungsdraht auf die geforderte niedrige Temperatur Damit das Tragband 3 beim Rotieren des Läufers gebracht werden kann. Die Kühlschlange ist von die Wärmeisolation auf der Außenseite nicht zu- der Wärmeisolation 5 umgeben. Aus Fertigungssammendrückt, wird die Erregung in Abhängigkeit gründen ist das Tragband längsgeteilt und der supravon der Drehzahl so gewählt, daß die magnetischen 65 leitende Draht in eine U-förmige Schiene 21 aus Kräfte zwischen dem Läufereisen und der Wicklung Kupfer eingebracht. Der Supraleitungsdraht wird die Zentrifugalkräfte weitgehend kompensieren. Der auf die Schiene gewickelt, dann wird diese zusam-Rest wird durch Zuganker 6 aufgenommen, die an den men mit den Zugankern 6 in die eine Hälfte des

Tragbandes eingelegt, die zweite Hälfte des Tragbandes am Rande der Trennungsfläche 22 festgelötet, die Kühlschlange herumgewickelt und schließlich das Ganze wärmeisoliert in die Nutenstäbe gebracht. Daraufhin erfolgt das Einschichten der Lauferlamellen in der zu F i g. 1 beschriebenen Weise. Wie bereits angedeutet, kann es zweckmäßig sein, auch die auf das Tragband ausgeübten Beschleunigungs- und Schwerkräfte durch weitere Zuganker abzufangen. In F i g. 3 sind zwei dieser Zuganker dargestellt. Sie bestehen aus dünnen Nylonfäden 23, die einen großen Wärmewiderstand besitzen. Die Nylonfäden sind sowohl im Tragband 3 als auch in dem in Läufereisen befestigten Nutenstab 4 verankert. Die Befestigungsstelle im Tragband ist mit 24, die spannbare Befestigungsstelle im Nutenstab mit 25 bezeichnet. Im Gegensatz zu dem Zuganker 6, der sich auf der ganzen Länge auf supraleitender Temperatur befinden kann, ist der Nylonfaden 23 zwischen mechanischen Teilen gelagert, die einen sehr großen Temperaturunterschied aufweisen. Der Wärmeverlust über den Nylonfaden ist aber deshalb nicht besonders groß, da der Faden einen relativ kleinen Querschnitt und eine relativ große Länge hat. Die durch ihn aufzunehmenden Kräfte sind, wie bereits erwähnt wurde, klein. Sie können im Prinzip auch von zwischen Tragband und Nutenstab eingebrachten Abstandsstücken 39 (gestrichelt angedeutet) mit dünnem Querschnitt aufgefangen werden, obwohl hier das Verhältnis von Durchmesser zu Länge wegen der Knickfestigkeit des Stabes nicht so klein gemacht werden kann wie bei einem Zuganker und deshalb größere Wärmeverluste in Kauf genommen werden müssen. Die Einschnitte 26 dienen dazu, die Nutenstäbe in entsprechenden Nasen der Lauferlamellen zu halten.

Das in den F i g. 5 und 6 dargestellte Beispiel eines vierpoligen Läufers zeigt eine andere Art der Verspannung. Hier sind die Zuganker polygonartig um die Achse angeordnet, wie dies bei einer stationären Erregeranordnung bereits vorgeschlagen worden ist. Auch bei dieser Art der Verspannung bilden die Zuganker mit den supraleitenden Wicklungen ein in sich geschlossenes mechanisches System tiefer Temperatur, das bei geeigneter Erregung keine wesentlichen Kräfte nach außen ausübt, so daß es mit einer druckempfindlichen Wärmeisolation umgeben werden kann. Um radiale magnetische Kräfte zu erzielen und die Läuferlamellen abwechslungsweise in das fertige Wicklungssystem einschichten zu können, sind Läufernuten mit einem Öffnungswinkel von etwa 90° gewählt.

F i g. 7 zeigt eine Art von Verspannung eines zweipoligen Läufers, bei der Zuganker die Differenz zwischen Zentrifugalkraft und magnetischem Zug und gleichzeitig die bei Belastung auftretende Tangentialkraft aufnehmen. Derartige Zuganker können auch mit Zugankern nach F i g. 1 kombiniert werden. Eine Halterung für eine von einer Wärmeisolation umgebene Wicklung innerhalb eines Gehäuses, bei welcher die Wicklungsdrähte in ein längsgeteiltes Band (Tragband) eingebettet sind, an dem wärmeisolierte Zuganker angreifen, die zwischen einzelnen Teilen des Tragbandes, zwischen verschiedenen Tragbändern oder zwischen einem Tragband und der Gehäusewand gespannt sind, kann nicht nur bei Maschinen mit rotierender Erregerwicklung, wie bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 3, sondern auch bei feststehenden supraleitenden Wicklungen vorteilhaft Anwendung finden.

Claims (20)

Patentansprüche:

1. Halterung für eine mit Zugankern befestigte rotierende Erregerwicklung einer elektrischen Maschine, vorzugsweise Synchronmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer supraleitenden Wicklungsausführung (2) die auf die Wicklung wirkenden Zentrifugalkräfte weitgehend durch magnetische Kräfte zwischen dem Läufereisen und der Wicklung kompensiert sind.

2. Halterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Gehäuse für die Wicklung ein in Längsrichtung geteilter hohler Nutenstab (4) dient und daß der dem Nutengrund züge wandte Teil (18) des Nutenstabes aus besonders hochsättigbarem magnetischem Material besteht.

3. Maschine mit einer Halterung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Läufer und Ständerzähne so weit über der Sättigungsgrenze betrieben werden, daß die Ankerrückwirkung gegenüber der Leerlauferregung nur noch eine untergeordnete Rolle spielt.

4. Maschine mit einer Halterung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Läufer eine Dämpferwicklung vorgesehen ist.

5. Maschine mit einer Halterung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung von der Drehzahl abhängig gemacht ist.

6. Maschine mit einer Halterung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung von der Zugkraft an den Zugankern abhängig gemacht ist.

7. Maschine nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der drehzahlabhängigen Erregung ein Spannungsregler mit unterlagerter Stromregelung vorgesehen ist.

8. Maschine mit einer Halterung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenkörper des Läufers aus Lamellen (9) mit solchem Querschnitt besteht, daß der Läufer in den Spulenrahmen eingeschichtet werden kann.

9. Halterung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuganker in einer durch die Läuferachse gehenden Ebene angeordnet sind (F i g. 1).

10. Halterung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuganker am Läufereisen und/oder untereinander befestigt sind.

11. Halterung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuganker in Form eines gleichseitigen Vielecks um die Läuferachse angeordnet sind (F i g. 5).

12. Halterung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Zuganker (23) vorgesehen sind, die die Wicklungsteile innerhalb der Nuten in der gewünschten Lage festhalten.

13. Halterung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsteile durch Abstandhalter (39) aus schlecht wärmeleitendem Material in der gewünschten Lage gehalten werden.

14. Halterung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß jede Spule der Erregerwicklung in einer Ebene (ohne Kröpfung) gewickelt ist und aus zwei geraden und zwei halbkreisförmigen Teilen besteht.

15. Halterung für eine von einer Wärmeisolation umgebene supraleitenden Wicklung innerhalb eines Gehäuses, insbesondere nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsdrähte in ein längsgeteiltes Band (Tragband) eingebettet sind, an dem wärmeisolierte Zuganker angreifen, die zwischen einzelnen Teilen des Tragbandes, zwischen verschiedenen Tragbändern oder zwischen einem Tragband und der Gehäusewand gespannt sind.

16. Halterung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Wicklungsdraht auf einen

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Spulenkörper (21) mit U-förmigem Querschnitt gewickelt und dieser in das Tragband eingebettet ist.

17. Halterung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Tragband so geteilt ist, daß der Spulenkörper im bewickelten Zustand in dieses einsetzbar ist.

18. Halterung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Tragband aus gut wärmeleitendem unmagnetischem Material besteht.

19. Halterang nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Tragband zusammen mit einem Strömungspfad für das Kühlmedium in die Wärmeisolation eingebettet ist.

20. Halterung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Tragband von einer Kühlschlange (20) umgeben ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 909507/1247