DE1463852C - Indirekt flussigkeitsgekuhlte. aus Volleitern bestehende Lauferwicklung einer elektrischen Maschine mit Schenkelpollau fer - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine indirekt flüs- ander getrennt, und an diesem Zahn stützen sich die sigkeitsgekühlte, aus Volleitern bestehende Läufer- Spulen über eine mehr oder weniger elastische Aufwicklung einer elektrischen Maschine mit Schenkel- lage ab. Diese Einlagen können Metallrohre sein, die polläufer, bei der jede Windung zumindest mit einem von einem Kühlmittel durchflossen werden. In nachnicht an der Leitung des elektrischen Stromes betei- 5 teiliger Weise müssen hier die Kühlmittel sowohl Iigten, flüssigkeitsdurchströmten Kühlelement in thermische als auch hohe mechanische Belastungen wärmeleitender Berührung steht. aufnehmen, und die Kontaktanlage mit den Spulen

Eine geeignete Lösung dieses Kühlproblems wird erfolgt lediglich über eine geringe Fläche, so daß die

durch die gegenwärtige Entwicklung der modernen Kühlleitung gering ist.

Maschinen, insbesondere der Wechselstromgenerato- io Bei einem bekannten Elektromotor für in die zu

ren zu einer erheblich höheren Erregerleistung pro pumpende Flüssigkeit eintauchende Pumpen ist der

Pol und höheren Fliehkraftbeanspruchungen deswe- feststehende Stator am äußeren Umfang mit einem

gen erschwert, weil diese zu robusten Polradausfüh- ringförmigen Kühlmantel versehen, der eine Vielzahl

rungen führt, die ein gutes mechanisches Verhalten von hintereinander geschalteten Kühlschleifen bildet,

bei übernormalen Drehzahlen aufweisen und durch 15 von denen benachbarte Zweige stets im Gegenstrom-

eine äußerst wirksame Abfuhr der in den Wicklungen prinzip durchflossen sind. Diese Anordnung steht

entwickelten großen Wärmemengen erfordern. nicht mit der Wicklung in unmittelbar wär'meleiten-

Die bekannte, theoretisch ausgezeichnete Lösung, der Berührung und kann auch nicht die Kühlwirkung welche darin besteht, Hohlleiter zu benutzen, deren an der Statoroberfläche vergleichmäßigen, da am ge-Axialkanäle von einem Kühlmittel durchströmt wer- 20 samten Umfang jeweils nur eine Kühlflüssigkeitszuden, bietet zahlreiche Schwierigkeiten. Die Herstel- und -ableitung vorgesehen ist. Eine derartige Kühllung ist schwierig und aufwendig, da die Hohlleiter anordnung kann auch nicht zur gleichmäßigen Kühschwer herzustellen sind, die Umlaufkanäle sind sehr lung eines rotierenden und großen Zentrifugalkräften lang und erzeugen einen übermäßigen Druckabfall, unterworfenen Bauteiles ohne, weiteres verwendet und die mechanische Festigkeit der Hohlleiter läßt 25 werden.

zu wünschen übrig. Es ist ferner bei Schenkelpol- Es ist ferner eine dynamoelektrische Maschine mit

maschinen bekanntgeworden, bei den normalen von einem Stator bekannt, die flüssigkeitsdurchströmte

Volleitern gebildeten Wicklungen in gutem Wärme- Hohlleiter umfaßt. Die Hohlleiter sind an Punkten

kontakt mit diesen stehende Kühlelemente zu ver- gleichen Potentials derart miteinander verbunden,

wenden, die aus einzelnen von einer Kühlflüssigkeit 30 daß ein geschlossener Kreislauf für die Kühlflüssig-

durchflossenen Kühlleitungen aufgebaut sind. Die be- keit gebildet wird. Auch mit einer derartigen Küh-

kannten Anordnungen dieser Art weisen jedoch zu lung können Maschinen der oben beschriebenen Art

große Druckabfälle auf, was die Anwendung von nicht gekühlt werden.

hohen Drücken mit der hierdurch bedingten Leck- Es ist auch bereits bekannt, Schenkelpolmaschinen gefahr erfordert. Ferner sind die Temperaturen der 35 mit Luft zu kühlen. Zu diesem Zweck sind innerhalb Kühlflüssigkeit am Ausgang der Leitungen erheblich der Leiterstapel oder zwischen diesen und dem Polhöher als am Eingang, so daß die Temperaturen der schaft senkrechte Kanäle vorhanden, die sich über Wicklungen ganz ungleich verteilt sind, was unregel- die gesamte Höhe der übereinanderliegenden Leitermäßige Wärmedehnungen und Wärmebeanspruchun- stapel erstrecken. Eine Luftkühlung ist jedoch nicht gen erzeugt, welche das elektrische und mechanische 40 immer ausreichend, und die bei Flüssigkeitskühlun-Verhalten von Wicklungen von Schenkelpolläufern gen auftretenden Probleme können nicht durch die gefährlich beeinflussen kann. bei Belüftungen gefundenen technischen Lösungen

Es ist bereits eine Kühl- und Schutzeinrichtung für gelöst werden.

elektrische Wicklungen bekannt, die insbesondere für Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Schmelzofenrührwerke vorgesehen sind. 45 neue technisch und wirtschaftlich günstige Lösung Hierbei ist eine feste, nicht rotierende Spule vorge- für die Konstruktion großer Synchronmaschinen mit sehen, die eingesetzte Metallteile aufweist, die wieder- Schenkelpolläufern zu schaffen, insbesondere der um einen inneren Kanal für den Durchgang einer Wechselstromerzeuger von hydroelektrischen Aggre-Kühlflüssigkeit bilden. Diese eingesetzten Metallteile gaten mit großer Leistung je Pol.
können auch von Strom durchflossen werden. In die- 50 Derartige Maschinen werden immer häufiger zur sem Fall bilden diese eingesetzten Metallteile elek- wirtschaftlichen Ausnutzung mittlerer und hoher trische Hohlleiter, die an den Kühlflüssigkeitsan- Wassergefälle erforderlich. Infolge der beim Durchschluß unter Zwischenschaltung einer Isolation ange- gehen auftretenden hohen Drehzahl, welche zu hohen schlossen werden müssen. Bei einer weiteren bekann- Fliehkraftbeanspruchungen an den Polen führt, muß ten elektrischen Kühleinrichtung für elektrische 55 der Rotordurchmesser begrenzt werden, so daß für Wicklungen, und zwar insbesondere für· solche elek- eine bestimmte Leistung die Wirksamkeit der Kühtrischen Wicklungen, die für Heizzwecke verwendet lung der Rotorspulen erhöht werden muß.
werden, entsteht eine Kühlwirkung dadurch, daß be- Der allgemeine Gedanke, diese Spulen durch einen stimmte Heizwicklungen durch Hohlleiter ersetzt Flüssigkeitsumlauf zu kühlen, ist bereits alt und hat werden, welche innere Kühlkanäle bilden, deren 60 schon zu einer gewissen Zahl von konstruktiven Maß-Enden an eine Kühlflüssigkeitsquelle angeschlossen nahmen geführt.

sind. Diese Kühlleitungen sind jedoch an der Leitung Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer indes elektrischen Stromes beteiligt. Derartige Kühlun- direkt flüssigkeitsgekühlten, aus Hohlleitern begen sind aber für eine Kühlung von Läuferwicklun- stehenden Läuferwicklung einer elektrischen ' Magen einer elektrischen Maschine mit Schenkelpol- 65 schine mit Schenkelpolläufern der eingangs genannläufer vollkommen ungeeignet. ten Art dadurch gelöst, daß die Kühlelemente aus Bei einem bekannten Induktor für elektrische Ma- olfenen, jeweils zumindest aus zwei Zweigen aufgeschinen sind die Spulen durch einen Zahn vonein- bauten Kühlschleifen aus einem elastischen Material

bestehen, die in einer solchen Reihenfolge angeordnet sind, daß jeweils benachbarte Zweige im Gegenstromprinzip durchflossen sind, und daß die Zweige der Kühlschleifen jeweils an gemeinsame Sammelleitungen (E, S; Ei, Sl) angeschlossen sind.

In vorteilhafter Weise erfolgt die Kühlung durch diese Maßnahmen so, daß die Temperatur der Wicklung praktisch gleichmäßig ist und die Volleiter mit verhältnismäßig kurzen Kühlleitungen an gemeinsame Sammelleitungen angeschlossen sind, so daß geringe Druckabfälle auftreten, und die ohmsche Wärme der Leiter sehr wirkungsvoll abgeführt werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß zumindest zum Teil von vorgefertigten Kühlelementen Gebrauch gemacht werden kann, die an die Volleiter anbaubar sind. Da die Kühlelemente aus einem elastischen Material gefertigt sind, werden von den Zentrifugalkräften verursachte Druckschwankungen zwischen Stillstand und Betriebsdrehzahl leicht von diesen ohne Deformationen aufgenommen, wobei auch stets eine wärmeleitende Berührung zwischen den einzelnen Zweigen der Kühlschleifen und der Wicklung gewahrt bleibt.

Erfahrungen haben gezeigt, daß beispielsweise bei großen flüssigkeitsgekühlten elektrischen Maschinen das Problem der Kühlung der sich drehenden Pole durch einen Umlauf von Kühlflüssigkeit nicht in der Weise gelöst werden kann, wie es bei feststehenden Statorwicklungen möglich ist. Die insbesondere hierbei auftretenden Schwierigkeiten des Beherrschens des Einflusses der Zentrifugalkräfte werden erst durch die Erfindung behoben. Die bekannten Lösungen von Kühlproblemen von elektrischen Maschinen sind für die Lösung dieses speziellen Problems nicht geeignet. Durch die Erfindung ist es möglich, die Maschinenleistung zu erhöhen, ohne daß die Temperaturen übermäßig ansteigen, ferner ist die erfindungsgemäße Lösung außerordentlich einfach und führt zu geringem herstellungsseitigem Aufwand. Die Kühlung ist außerordentlich robust; schließlich sind keine Isolierungen zwischen den Kühlschlangen und den Sammelleitungen erforderlich, wodurch eine Wartung und ein Austausch des Kühlsystems erleichtert wird.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist jeder Zweig der Kühlschleife in eine in der entsprechenden Windung vorgesehene seitliche Nut derart mit einem Isolierungsmittel eingesetzt, daß dieser Zweig zwischen den benachbarten, im Gegenstrom durchflossenen Zweigen elastisch zusammenpreßbar ist.

Ferner können die benachbarten Schleifenzweige mit gegenseitigem elastischem Wärmekontakt zwischen dem magnetischen Kern und dem Spulenkasten der Wicklung angebracht sein.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich, wenn eine Hälfte der Windungen derart in senkrechter Richtung zur Polachse abwechselnd versetzt ist, daß Hohlräume entstehen, in welchen die isolierten Zweige liegen, die mit je drei Windungen thermischen und elastischen Kontakt haben.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung, in denen Ausführungbeispiele dargestellt sind, erläutert. Es zeigen

Fig. 1 und 2 eine Anordnung mit Windungen mit Längsnuten,

Fig. 3 und 4 eine Ausführungsform der Windungen mit rechteckförmigen Leitern, gegen welche die Schleifen der Kühlzweige seitlich gelegt sind, Fig. 5 eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform der Kühlschleifen und

Fig. 6 und 7 Windungen mit Mehrfachschleifen in Form von· elastischen Kästen.

F i g. 1 ist eine geschnittene Teilansicht eines Magnetkerns 5, mit einem Spulenkasten 6, in welchem die Windungen 1, 2, 3 eines oder mehrerer Leiter mit Rechteckquerschnitt untergebracht sind, weiche z. B. durch Bearbeitung oder Ziehen hergestellt und mit

ίο Längsnuten 4 versehen sind. In jeder Nut ist ein Zweig 7 A, 7 B usw. der Kühlschleife aus einem ge-

■ eigneten elastischen Metall mit hoher mechanischer Festigkeit angeordnet, welcher einen kreisförmigen, rechteckigen, ovalen oder anderen Querschnitt haben kann. Die für den Umlauf einer Kühlflüssigkeit, z. B. Wasser, vorgesehenen Kühlelemente sind im voraus so hergestellt und gekröpft, daß sie Kühlschleifen mit zwei Zweigen bilden, welche in der Längsrichtung zwischen die Windungen 1, 2, 3 usw. eingelegt

werden. .

Gemäß Fig. 2 werden die Enden dieser Kühlschleifen parallel durch Eingangssammelleitungen E₁ bzw. E₂ gespeist. Die Flüssigkeit kehrt zu den Ausgangssammelleitungen S₁ und 5., zurück. Wie die Pfeile zeigen, sind die Richtungen der in benachbarten Schenkeln strömenden Flüssigkeit stets einander entgegengesetzt. Diese Anordnung der geraden Kühlschleifen ist zweckmäßig, wenn die axiale Länge L₁ der Kerne 5 groß ist, wie dies häufig in modernen Hochleistungsmaschinen der Fall ist.

Die Außenflächen der Zweige 7 A, 7 B usw., welche nicht von elektrischen Strömen durchflossen werden, sind mit einer dünnen elastischen Isolierschicht überzogen, welche z. B. durch Umwickeln, Lackieren, Emaillieren oder auf beliebige andere Weise hergestellt wird, so daß eine genügende Isolation und eine gute Wärmeleitfähigkeit entsteht. Zur Verbesserung ihrer Wärmekontakte mit den Oberflächen der Nuten 4 können diese Leitungen bei ihrer Anbringung in einen Isolierstoff in ein vorzugsweise erhärtetes Harz eingebettet werden, wodurch die Lufttaschen beseitigt werden, welche als Wärmeschranken wirken könnten. Ferner sind die Rohrleitungen zwischen den benachbarten Windungen der Wicklung elastisch zusammenpreßbar. Diese Druckkraft trägt zur Verbesserung der Wärmekontakte sowie des mechanischen Verhaltens der Anordnung gegen Fliehkräfte und den Flüssigkeitsdruck dadurch bei, daß die Wärmekontakte senkrecht zu diesen Kraftwirkungen liegen.

Bei dieser Anordnung erhält man nicht nur einen sehr guten Wärmekontakt der Kühlschleifen mit den Windungen der Wicklung, sondern jeder Wicklungszweig, z. B. 7B, liegt zwischen zwei benachbarten Zweigen 7 A und 7 C, welche von der Flüssigkeit gegensinnig durchströmt werden. ■ Die Kühlschleife TB steht mit diesen in einem so starken Wärmeaustausch, daß die gleiche Temperatur über die ganze Länge der miteinander zusammenwirkenden Kühlschleifen erreicht wird, so daß die Gesamtheit der gekühlten Wicklung auf der gleichen Temperatur gehalten wird.

Bei der Anordnung gemäß F i g. 3 sind die Zweige 9/4 und 9 B einer ersten Schleife, die Schenkel 9 C und 9D einer zweiten Schleife usw. zwischen dem Kern 5 und dem Spulenkasten 16 der Wicklung elastisch angeordnet, welche durch Leiter mit einfachem Rechteckquerschnitt gebildet wird. Diese Zweige,

welche nicht isoliert zu werden brauchen, stehen in Wärmekontakt mit den Windungen 12, 13 usw. und vorzugsweise untereinander in unmittelbarer Berührung.

Bei einer Ausführungsabwandlung gemäß F i g. 4 stehen jeder der isolierten Zweige 1OA, 1OB, IOC usw. von verschiedenen Kühlschleifen mit den rechteckförmigen Leitern dreier Windungen in unmittelbarer wärmeleitender Berührung. Die Leiter 13 A, 15 A usw. sind zur Unterbringung dieser Zweige in der dargestellten Weise in Richtung senkrecht zur PoI-achsc gegeneinander versetzt. In F i g. 3 und 4 sind die Zweige vorzugsweise in einer Masse mit guter Wärmeleitfähigkeit eingebettet, um die Hohlräume auszufüllen und die Wärmeübertragung zwischen den Windungen und den Zweigen der Kühlschleife sowie zwischen ihren benachbarten Zweigen zu verbessern. Die Querschnitte der Leitungen 9 und 10 gemäß F i g. 3 und 4 können auch rechteckig sein.

Wenn die axiale Länge L_s des in F i g. 5 dargestellten Kerns kleiner als die Länge L₁ gemäß F i g. 2 ist, können die Kühlschleifen gemäß F i g. 5 ausgebildet werden, in welcher die verschiedenen Zweige einer jeden Kühlschleife, z. B. 9 A und 9B, mit einem Paar von gemeinsamen Eingangs- und Ausgangssammelleitungcn E und S verbunden sind, welche in der Nähe der Basis des Kerns 5 angeordnet sein können. Diese Leitungen bilden eine Kühlschleife mit zwei Zweigen, welche z. B. die Form einer zur Fliehkraft senkrechten Haarnadel hat, deren Ende sich in sich selbst schließt, wie durch den gebogenen Pfeil / dargestellt ist. Diese Kühlschleife wird schraubenförmig auf den Kern aufgewickelt, derart, daß sie entweder in den Nuten 4 der F i g. 1 liegt oder an die Windungen der Wicklung gemäß F i g. 3 oder 4 seitlich angebaut ist. Eine andere Kühlschleife, welche z. B. von den Zweigen 9C und 9D gebildet und parallel an die gleichen Sammelleitungen E und 5 angeschlossen wird, kann eine zweite Schraube bilden, welche der ersten entspricht und zwischen den Windungen derselben liegt.

.Auch bei dieser Anordnung liegen alle benachbarten Zweige der Kühlschleifen in einer solchen Reihenfolge, daß sie stets von der Flüssigkeit gegensinnig durchströmt werden. Dies ermöglicht, wie bei F i g. 2 über die ganze Wicklung eine praktisch gleichmäßige Temperatur zu erhalten, welche durch die gleiche zweckmäßig erweiterte Anwendung des bekannten Gegenstromprinzips erzielt wird.

Anstatt auf den Pol aufgewickelt zu werden, wie in F i g. 5 dargestellt, können die Kühlschleifen der F i g. 3 und 4 auch zickzackförmig in einer oder mehreren zu den Seiten des Kerns 5 parallelen seitlichen Ebenen elastisch angeordnet werden.

Die Anordnung gemäß F i g. 6 und 7 bezweckt die Verbesserung der Wirksamkeit der Kühlung und des Wärmeaustauschs zwischen den Zweigen mit Hilfe von Kühlelementen in Form von flachen Metallkästen 19. Der Kern 5 trägt ein isolierendes Gerippe 6, in welchem die Windungen 12, 13, 14 usw. von allen Leitern mit Rechteckquerschnitt untergebracht sind. Die Metallkästen sind zwischen diesem Gerippe und den Windungen 12 bis 16 angeordnet und haben die Form von flachen Parallelepipeden. welche von den Leitern durch dünne Isolierblätter 18 getrennt sind. Die Flüssigkeit strömt in diesen Metallkästen und wird durch Trennwände 19 A geführt, die Zweige 2OA bis 201) bilden, die in der Pfeilrichtung in dem einen Sinn und hierauf in dem anderen Sinn durchströmt werden, so daß alle Windungen der Wicklung wie bei den vorhergehenden Beispielen mit der gleichen Wirksamkeit gekühlt werden und praktisch die gleiche Temperatur erreichen. Die verschiedenen Metallkästen 19 sind vorzugsweise parallel oder reihenparallel durch ihre Eingänge M und ihre Ausgänge N verbunden. Ihre Flanken sind so bemessen und mit den Trennwänden 19 A verbunden, daß

ίο sie eine elastische Nachgiebigkeit besitzen, welche einen guten .Wärmekontakt mit den Leitern über die Isolierblätter 18 begünstigt, wobei dieser Wärmekontakt auch durch den Flüssigkeitsdruck verbessert wird.

Gemäß der Ausführungsabwandlung der Fig. 6 können die Metallkästen 19, anstatt zwischen einer Reihe oder einem Stapel von übereinanderliegenden Leitern der Windungen 12, 13 usw. und dem Kern 5 angeordnet zu sein, zwischen zwei parallelen Stapeln

so von halb so breiten Leitern, bzw. in schmale senkrechte Kanäle gelegt werden, weiche durch die Leiterstapel hindurchgehen.

Bei allen beschriebenen Ausführungsformen können Maßnahmen getroffen werden, die Bremsung des Flüssigkeitsumlaufs durch die Fliehkräfte zu verringern. Hierfür können z. B. am Eingang und am Ausgang der Kühlschleifen gemäß der Technik der Fliehkraftpumpen ausgebildete geeignete Führungsteile vorgesehen werden, um diese Bremsung aufzuheben.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Indirekt flüssigkeitsgekühlte, aus Volleitern bestehende Läuferwicklung einer elektrischen Maschine mit Schenkelpolläufer, bei der jede Windung zumindest mit einem nicht an der Leitung des elektrischen Stromes beteiligten, flüssigkeitsdurchströmten Kühlelement in wärmeleitender Berührung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlelemente aus offenen, jeweils zumindest aus zwei Zweigen (7A, TB .. .; 9A, 9B ...; 1OA, 1OB . ..; 2OA bis 20D) aufgebauten Kühlschleifen aus einem elastischen Material bestehen, die in einer solchen Reihenfolge angeordnet sind, daß jeweils benachbarte Zweige im Gegenstromprinzip durchflossen sind, und daß die Zweige der Kühlschleifen jeweils an gemeinsame Sammelleitungen (E, S; E₁, S₁) angeschlossen sind.

2. Indirekt flüssigkeitsgekühlte Läuferwicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zweig (7B) einer Kühlschleife in eine in der zu kühlenden Windung (2) vorgesehene seitliche Nut (4) derart mit einem Isoliermittel eingesetzt ist, daß dieser Zweig zwischen den benachbarten, im Gegensinn durchflossenen Zweigen (7A, 7C) elastisch zusammenpreßbar ist (Fig. 1 und 2).

3. Indirekt flüssigkeitsgekühlte Läuferwicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Zweige (9 A, 9B, 9 C ...) der Kühlschleifen unter gegenseitiger elastischer und wärmeleitender Berührung zwischen dem magnetischen Kern (5) und dem Spulenkasten (16) der Wicklung angebracht sind (F i g. 3).

4. Indirekt flüssigkeitsgekühlte Läuferwicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hälfte der Windungen (12 A, 13 A . , .) der-

art in senkrechter Richtung zur Polachse abwechselnd versetzt ist, daß jeweils ein freier Hohlraum zwischen dem magnetischen Kern (5) und der jeweils versetzten Windung (5) entsteht, in welchem jeweils ein isolierter Zweig (1OA ...) der Kühlschleife liegt, der mit je drei Windungen (12 A, 13 A, 14 A .. .) in elastischer und wärmeleitender Berührung steht (Fig. 4).

5. Indirekt flüssigkeitsgekühlte Läuferwicklüng nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ίο jede aus zwei Zweigen (9 A bis 9B) bestehende Kühlschleife derart schraubenförmig ausgebildet ist, daß zwischen ihren Windungen wenigstens eine andere aus zwei Zweigen (9 A bis 9D) bestehende Kühlschleife liegt und daß alle Kühl-

schleifen an gemeinsame Sammelleitungen (S, E) so angeschlossen sind, daß jeder Zweig zwischen zwei entgegengesetzt von der Kühlflüssigkeit durchfiossenen Zweigen liegt (Fig. 5).

6. Indirekt flüssigkeitsgekühlte Läuferwicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schleife mehrere Paare von in Reihe geschalteten Zweigen (2OA bis 20D) innerhalb eines flachen, elastischen, an die Wicklung angebauten Metallkastens (19) aufweist (Fig. 6 und 7).

7. Indirekt flüssigkeitsgekühlte Läuferwicklung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die flachen Kästen (19) in senkrechten Kanälen angeordnet sind, die durch die übereinander liegenden Leiterstapel der Wicklung hindurchgehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen