DE1289176B - Halterung fuer eine mit Zugankern befestigte rotierende Erregerwicklung einer elektrischen Maschine - Google Patents
Halterung fuer eine mit Zugankern befestigte rotierende Erregerwicklung einer elektrischen MaschineInfo
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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-
3 4
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)
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
10
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
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