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Hochleistungssynchrozmaschine mit hoher mittlerer Induktion im Luftspalt
Die Erfindung betrifft eine Hochleistungssynchronmaschine mit hoher mittlerer Induktion
im Duftspalt, z.B. 'i5000 Gauss, deren Rotor bzw. Rotorkern eine Feldwicklung trägt
und der den Rotor umschließende Stator eine aus mehreren Spulen zusammengesetzte
Statorwicklung hat. Unter mittlerer Luftspaltinduktion, im folgenden kurz Mittelinduktion
genannt, wird die luftspaltinduktion verstanden, die sich bei gleichmäßiger Verteilung
des Maschinenflusses über den gesamten Luftspalt ergeben würde. Unter "Hochleistungsmaschine"
wird eine Maschine verstanden, die eine Leistung von mehr als 10 MVA hat. Eine Maschine
gemäß der Erfindung kann mit Vorteil für eine Leistung von 100 MYA und darüber verwendet
werden. Es ist bekannt, daß die Leistung, die eine bestimmte Statorwicklung liefern
kann, ungefähr proportional der Mittelinduktion im Luftspalt ist. Die bekannten
Noehleistungemaschinen sind bisher mit einer bedeutend niedrigeren Luftspaltdichte
als der für die erfindungsgemäße Maschine vorgesehenen ausgeführt. Eine Mittel-.
dichte im Luftspalt von ungefähr 1000 Gaues wird Schon als relativ
hoch
für eine herkömmliche Maschine angesehen. Die Begrenzung der Induktion ist dadurch
bedingt, daß man eine Sättigung der Ankerzähne und die sehr offensichtliche Zunahme
des magnetischen Widerstandes, die eine solche Sättigung mit sich bringt, vermeiden
will. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß eine gute Ausnutzung des Materials
einer Maschine durch eine hohe Mittelinduktion im Luftspalt voraussetzt, daß die
Zähne des Ankers so weit wie möglieh weggelassen werden, da die in diesen auftretende
starke Sättigung ausschließt, daß sie den magnetischen Widerstand zwisen Rotor und
Stator merkbar herabsetzen können. Das Optimale ist, den Stator mit nur so vielen
und so breiten Zähnen zu versehen, wie es aus rein mechanischen Gründen erforderlich
ist, d.h. zur Aufnahme der großen Kurzschlußkräfte, denen die Wicklung aufgrund
der großen huftspaltinduktion, besonders in tangentialer Richtung, ausgesetzt ist.
Der durch Fortfall der Zähne gewonnene. Raum wird für die Statorwicklung ausgenutzt,
der eine geringere radiale Höhe gegeben werden kann. Es ist bereits vorgeschlagen
worden, eine Hochleistungssynchronmaschine des Innenpoltyps mit einem nutenlosen
Stator auszuführen. Die bekannte Konstruktion ist nur für Sondermaschinen bestimmt,
bei denen ein ungewöhnlich großes Kurzschlußverhältnie erforderlich ist und die
Forderung nach einem großen Luftspalt somit eine primäre Voraussetzung bei der Bemessung
ist. Man hat bei der Bemessung des Rotors der bekannten Maschine diesen nicht an
einer
hohen Luftspaltinduktion angepaßt urfd überhaupt keinen Versuch
gemacht, die Möglichkeiten einer großen Luftspaltinduktion auszunutzen, die durch
das Fehlen von-Statorzähnen und die dadurch normalerweise bedingte Begrenzung gegeben
sind. Die Statorwieklung ist in einem Hohlzylinder aus isolierendem Material eiregekapselt,
die auf die Wicklung wirkenden Kräfte werden durch mehrere auf der Außenseite des
Hohlzylinders und radial außerhalb der Ankerleiter gebildete azial verlaufende Nuten
und Vorsprünge auf den Statorkern übertragen: Eine solche Kraftübertragung zwischen
Ankerwicklung und Statorkern hat zur Folge, daß der genannte Hohlzylinder stark
von Scher- und Zugkräften beansprucht wird: Damit der Hohlzylinder eine genügende
Widerstandskraft gegen diese Kräfte bekommt, wird er so bemessen, daß der von der
Isolation eingenommene Teil des totalen Wandvolumens des Hohlzylinders bedeutend
größer als vom Isolationsgesichtspunkt aus erforderlich ist, so daß der Kupferfüllfaktor
für den Raum zwischen dem Stator und Rotor relativniedrig ist. Da die Mittelinduktion
im Luftspalt der bekannten Maschine verhältnismäßig niedrig ist, wahrscheinlich
etwa nur die Hälfte der Induktion, mit der man bei einer erfindungsgemäßen Maschine
rechnen kann, ist es möglich, daß das Hohlzylinderprinzip ein ausreichendes Festhalten
der Ankerwicklung gerade bei der bekannten Maschine ergeben kann.
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Bei einer Maschine nach der. Erfindung muß man mit weit größeren Kurzschlußkräften
rechnen, so daß das bekannte Verfahren für die
Ausführung und das Festhaltender
Ankerwicklung nicht geeignet ist.
Die Erfindung geht von einer Hochleistungssynchronmaschine
aus,.* deren Rotor bzw. Rotorkern die Feldwicklung trägt und der -den Rotor umachließende
lamellierte Stator eine aus mehreren Statorspulen zusammengesetzte Wicklung hat,
bei der die axial verlaufenden Spulenseiten zwischen axial verlaufenden, längs der
Luftapaltfläche des Stators gleichmäßig verteilten Statorzähnen festgehalten werden,
deren radiale Erstreckung wenigstens in der Hauptsache gleich groß wie die radiale
Dimension der genannten Spulenseiten ist. Um eine solche Maschine mit großer Mittelinduktion
im Duftspalt, z.B. 15000 Gauss, ausführen zu können, ist diese erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet, daß die totale durchschnittliche tangentiale Erstreckung der zwischen
stens dreimal größer als die Mittelbreite eines jeden Statorzahns ist. Nach einer
Weiterentwicklung der Erfindung werden die Statorzähne so ausgeführt, daß der ganze
oder ein radial gesehen innen liegender Teil eines jeden Zahnes aus einem besonderen
Konstruktionselement besteht, das am Statorblechpaket befestigt wird, wobei der
ganze oder ein radial gesehen außen liegender Teil des Zahns hauptsächlich aus unmagnetischem
Material besteht. Im folgenden. ist die Erfindung anhand der Zeichriungen-be-, sehriebeni
in dieser zeigen: .
Fig. 1 als Ausführungsbeispiel eine Maschine
nach der Erfindung, teils in Seitenansicht und teils ,im Axialschnitt, Fig. 2 eine
Hälfte der Maschine, zum Teil in einem radialen Schnitt längs, der Linie A-A in
Fig. 1 , Fig. 3, 4 und 5 ,verschiedene Ausführungen eines Statorzahnes. -In der
Zeichnung bezeichnet 1 das Gehäuse eines Synchrongenerators des Turbotyps mit einer
Leistung von 100 MYA und einer Drehzahl von 3000 Umdrehungen/sek. Der Statorkern
2 trägt eine direktgekühlte Statorwicklung 3, die die Ankerwicklung der Maschine-ist.
Jede Statarspule enthält acht Windungen und jede Spulenseite wird zwischen zwei
Statorzähnen 4 festgehalten, die so bemessen sind, daß sie die Kräfte aufnehmen,
die bei Kurzschluß auf die Seite der Spule wirken. Die Statorzähne haben eine geringe
oder gar keine Bedeutung als Leiter für den NaschinenfluB, da die totale Zahnbreite
sehr gering im Verhältnis zum Statorumkreis ist. Der Stator ist also in magnetischer
Hinsieht wie ein putenloser Stator zu betrachten.
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Die Maschine hat einen zweipoligen Rotor besonderer Ausbildung, .
der die hohe Feldamperewindungszahl zuläßt, die ein putenloser Stator erfordert:
Die Rotorwicklung besteht aus einer sattelförmigen Spule für jeden Pol. Der axial
verlaufende Teil einer Rotor=
spule ist mit 5 bezeichnet und die
axial außerhalb des Luftspalts verlaufenden Teile der Spule mit 6. Der vom Statorkern
umschlossene Teil des Rotorkerns besteht aus zwei zusammenhängenden Polen, die zusammen
mit einem Wellenzapfen und den übrigen axial außer= halb des Luftspalts liegenden
Teilen des Rotorkerns in einem Stück ausgeführt sind. Axial außerhalb des luftspalts--ist
der Rotorkern mit tangential verlaufenden Nuten ausgeführt, in welche die Spulenköpfe
6 verlegt sind.
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In Fig. 3 bezeichnet 20 einen axial verlaufenden, mit dem Statorkern
zusammenhängenden radialen Vorsprüng, der sich aus zahnähnlichen Vorsprüngen der
Statorbleche zusammensetzt. Der eigentliche Zahn 4 besteht aus dem Vorsprung 4 aus
einem aus Glasfaserlaminat ausgebildeten Körper 21, der am Vorsprung 20 mit azial-verlaufenden
Nuten 19 festgehalten wird, die im Vorsprung 20 ausgeformt
sind
und in Eingriff mit entsprechenden tangential gerichteten und azial verlaufenden
Vorsprüngen des urmagnetischen Körpers 21 stehen. Der Körper 21 kann auch aus voneinander
elektrisch isolierten, gestanzten Blechstücken aus einem Material mit geringer Magnetisierbarkeit
bestehen. Ein starker Druck zwischen dem Statorzahn und den an ihm anliegenden Spulen
25 wird mit den flachgedrückten und mit Epoxiharz gefüllten Rohren 22 erreicht,
in die Epoxiharz eingespritzt und unter hohem Druck gehärtet ist.
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Da der Körper 21 aus urmagnetischem Material ausgeführt ist, wird
der eiinimalabstand zwischen Rotor und Stator verhältnismäßig groß, und die durch
die Vorsprünge 20 verursachten Flußpulsierungen ergeben keine wesentlichen Wirbelstromverluste
im Rotor.
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Auch der in Fig. 4 gezeigte Statorzahn 4 ist so ausgebildet, daB Pulsationen
des Magnetflusses mit Zahnfrequenz vermieden werden. Der Zahn ist als Ganzes aus
urmagnetischem Material ausgeführt und in einer azal verlaufenden, in den Statorlamellen
gebildeten Schwalbenschwanznut 26 befestigt und von den Statorlamellen mittels der
Isolation 27l isoliert. Der Zahn ist aus mehreren axial hintereinander angeordneten
und voneinander isolierten Teilen zusammengesetzt, die von einem Glasfaserstab 28
zusammengehalten werden: Der Statorzahn 4 kann auch aus voneinander isolierten,
gestanzten Blechteilen ans urmagnetischem Material gemischt mit einer
Anzahl
gestanzter Blechteile aus magnetischem Material bestehen. Die
magnetischen
Blechteile können kürzer als die urimagnetischen sein
und nur die
Schwalbenschwanznut 26 ausfüllen und sich bis zur
Linie 33 erstrecken: Eine
solche Ausbildung schützt die Rotorfläche
gegen magnetische Flußpul®ationen
von der Hut 26. Die Blechstücke känen such aus Blech gestanzt sein, das aus im voraus'
zusammengeschweißten Streifen aus magnetischem Blech und unmagne-. tisehem Blech
besteht, so daß die Schweißverbindung oder die Stanzung längs der Linie 34 liegt
und der magnetische Teil innerhalb der Hut 26. Zwischen dem Zahn und den anliegenden
Spulen 25' sind flachgedrückte und mit Epozihar# gefüllte Rohre 22 in derselben
Weise wie in Fig. 3 angeordnet und ein ähnliches Rohr 29 ist zwischen dem Zahn 4
und dem Nutenboden angebracht. Der in Fig. 5 gezeigte Statorzahn unterscheidet sich
von dem in Fig. 4 gezeigten dadurch, daß der radiale, innerhalb des Statorblechpakets
verlaufende Teil mit einer in Richtung radial nach innen gleichmäßig zunehmenden
Breite ausgeführt ist.-Dadurch wird erreicht, daß kein Teil des Zahns
radial innerhalb der radial
inneren Fläche der Spulenisolation 30 liegt. Man
erhält also,- bei einem gewissen magnetischen Luftspalt einen mechanischen Luftspalt,
der kleiner als der ist, der mittels der in Fig. 3 und 4 gezeigten Zahnkonstruktion
erhalten wird. Die für Festhalten in radialer Richtung vorgesehene, am Zahn anliegende
schräge Fläche einer Spulenseite ist mit Hilfe von längsgehenden Füllkörpern 32
aus isolierendem Material ausgeführt.
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Da es sich erwiesen hat, daß der Hauptteil,der im Leiter
erzeugten
Wirbelstromvexluste einer Maschine nach der Erfindung von .der
radialen
Komponente des Hauptflusses verursacht wird, ist jeder
Ankerleiter
25 aus einer großen Anzahl tangential nebeneinander
angeordneter
und voneinander isolierter Teilleiter zusammengesetzt (Fig: 3). Da sich. auch eine
gewisse tangentialgerichtete , Flußkomponente geltendmacht, ist der Leiter auch
in radialer Richtung aufgeteilt"aber mit beträchtlich größerem Teilurigsabstand
als in tangentialer Richtung: Es hat sich auch gezeigt, daB die speziellen Verhältnisse
einer erfindungsgemäßex Maschine über- ; raschend kleine Dimensionen, der Teilleiter
verlangen. Bei 50-60 Hz darf die tangentiale Dimension nicht größer als 2,5 mm sein,
und die radiale soll nicht größer als 10 mm.seinwenn eine brauchbare Maschine erhalten
werden soll, Die Aufteilung in radialer Richtung verlangt eine entsprechende Transponierung,
während die tangentiale Aufteilung ohne entsprechende Transponierung der Teilleiter
vorgenommen werden soll.
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Wie es aua Fig. 3 hervorgeht, besteht jede Spulenseite der in Fig.
1 gezeigten Maschine ans vierundzwanzig direktgekühlten Leitern, die mit Hilfe der
umgebenden Spulendsolation 30 in einem steifen Paket zusammengehalten werden. Da
die radial nach innen gerichteten Kräfte, denen die Spulenseite ausgesetzt werden
kann, verglichen mit den bei KurzschluB-in tangentialer Richtung wirkenden Kräften
sehr klein sind, ist die Spulenseite trotz ihrer großen tangentialen Erstreckung
steif genug, um radial nach innen wirkenden Kräften zu widerstehen, ohne deformiert
zu werden. Hierzu , trägt auch die Tatsache bei, daß die Statorapule als Ganzes
mit Epoaiharz imprägniert und gehärtet ist:: Auch der krumme Querschnitt der Spulenaeite
und die sehr grauen tangential auf die radial verlaufenden Flächen dpr ßpulenseite
wirkenden Kräfte tragen dazu
bei, die Spulenseite
gegen radial nach innen wirkende Kräfte widerstandsfest zu machen. Damit die Kühlkanäle
24 nicht während der Vakuumimprägnierung geschlossen werden, sind sie aus flachgedrückten
Rohren aus. rostfreiem Stahl 31 ausgeführt, die von umgebenden Teilleitern isoliert
sind. Wie aus den Zeichnungen hervorgeht, werden die Spulenseiten in radialer Richtung
nach innen dadurch festgehalten, daß der radial innere Teil der Statorzähne mit
tangential verlaufenden Teilen ausgeführt ist. Wenn die Spulenseite wie ein steifes
Paket ausgeführt ist, ist es notwertdig, daß die Zähne so ausgebildet werden, daß
der ganze Zahn oder sein radial äußerer Teil ein besonderes Konstruktionselement
bildet, das auf den Statorlamellen durch axiales Einschieben montiert werden kann.
Bei einer erfindungsgemäßen Maschine wird die Statorwicklung dadurch montiert, daß
sämtliche Statorspulen in den Stator mit einer Spulenseite in der unteren Hälfte
des Stators gelegt werden. Danach wird die obere Statorhälfte auf ihren Platz gehoben
und mit der unteren zusammenmontiert, wonach lose Statorzähne oder alternativ radial
äußere Teile der Statorzähne in axial verlaufende Nuten zwischen
zwei nebeneinander liegende
Spulenseiten eingeschoben und in dieser Weise
am Statorblechpaket befestigt werden.
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Die in den Zeichnungen gezeigten Konstruktionen stellen nur
Aüsführungsbeispiele dar, die im Rahmen der Erfindung liegen, viele
andere
Ausführungsformen sind denkbar. Eine erfindungsgemäße
Maschine
kann z.B. ebenso vorteilhaft mit mehr als zwei Polen ausgeführt werden. weiter können
die in den Zeichnungen gezeigten, an den Statorzähnsn liegenden Spannelemente durch
Keile o.dgl.-ersetzt werden. , Um eine günstige Form des auf der Rotorwicklung erzeugten
magnetischen Feldes zu erhalten, kann es im gezeigten Fall vorteilhaft sein, längsgehende,
radial gerichtete Streifen von magnetischem Blech auf mehreren Stellen in
den längsgehenden Teilen der Rotor-
spulen anzubringen.