DE19544699A1

DE19544699A1 - Gasgekühlte elektrische Maschine

Info

Publication number: DE19544699A1
Application number: DE19544699A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr Baumann; Christoph Dr Hirsch; Jens Von Dr Wolfersdorf
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG; ABB AB
Priority date: 1995-11-30
Filing date: 1995-11-30
Publication date: 1997-06-05
Also published as: KR19990067444A

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung bezieht sich auf eine gasgekühlte elektrische Maschine mit einem Rotor, einem Stator und einem den Stator umgebenden Gehäuse, mit zwei in einer Nut übereinanderliegen den, aus gegeneinander isolierten Teilleitern aufgebauten Sta torwicklungsstäben, die außerhalb des Statorblechkörpers im Wickelkopfraum elektrisch und mechanisch miteinander zu einer Wicklung verbunden sind, und einem Ventilator auf jeder Ma schinenseite zur Erzeugung eines Kühlgasstroms durch die Ma schine, wobei ein Teilstrom dieses Kühlgasstroms durch den Wickelkopf geführt ist.

Die Erfindung nimmt dabei Bezug auf einen Stand der Technik, wie er sich beispielsweise aus der Zeitschrift BROWN BOVERI TECHNIK 3-86, Seite 135, Bild 3, ergibt.

TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND UND STAND DER TECHNIK

Bei elektrischen Maschinen mit indirekt gekühlter Statorwick lung werden die Stirnbügel im Wickelkopf durch einen Teilstrom des durch den Ventilator geförderten Kühlgasstrom gekühlt. Bei Grenzleistungsmaschinen sind die Stirnbügel durch zu hohe Er wärmung gefährdet. Während der in den Wicklungsnuten eingebet tete Teil der Wicklung gezielt gekühlt wird, erwärmen sich diese freiliegenden Wicklungsteile nicht nur durch den Strom fluß sondern auch durch die elektromagnetischen Felder im Wickelkopfraum.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Ma schine der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei welcher die Stirnbügel im Wickelkopf optimal gekühlt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zu mindest zwischen einigen in Umfangsrichtung benachbarten Wick lungsstäben Füllstücke aus nichtmetallischem Material vorgese hen sind, welche die freien Durchtrittsflächen zwischen in Um fangsrichtung benachbarten Wicklungsstäben derart einengen, daß das Kühlgas gezielt an den Breitseiten der Wicklungsstäbe im wesentlichen radial nach innen oder radial nach außen ge führt ist.

Der Erfindung liegen dabei die folgenden Überlegungen zu grunde. Der azimutale Abstand zwischen benachbarten Leitern kann aus Spannungsfestigkeits- und/oder Einbaugründen nicht beliebig klein gemacht werden. Eine Erhöhung des Volumenstroms im Wickelkopf ergibt praktisch keine Verbesserung der Kühlef fizienz, weil diese ab einem gewissen Durchmesser der Durch trittsfläche nur noch wenig vom Durchmesser abhängt. Grund da für ist der teilweise laminare Strömungszustand bzw. bei voll turbulenter Strömung die geringe Geschwindigkeit und der damit verbundene schlechte Wärmeübergang. Die Füllstücke aus nicht metallischem Material verkleinern nun die Durchtrittsflächen zwischen den Stirnbügeln und sorgen für eine optimale Umströ mung der Wickelkopfleiter, ohne daß die Spannungsfestigkeit beeinträchtigt wird.

Vorzugsweise sind die Füllstücke halbleitend ausgeführt, d. h. sie bestehen entweder aus einem Material, das eine vorgegebene Volumenleitfähigkeit aufweist, oder sie bestehen aus Isolier material und sind mit einem halbleitenden Anstrich versehen. Auf diese Weise lassen sich Glimm- oder Gleitentladungen zwi schen benachbarten Stirnbügeln vermeiden. Sie können darüber hinaus auch zur Spannungssteuerung in Umfangsrichtung herange zogen werden, wobei an den Phasentrennungen auf halbleitende Füllstücke verzichtet werden sollte. Darüber hinaus können die Füllstücke auch zur mechanischen Distanzierung der Stirnbügel mit herangezogen werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung, vorteilhafte Weiterbildun gen und Ausgestaltungen der Erfindung sowie die damit erziel baren Vorteile werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung sche matisch dargestellt, und zwar zeigt:

Fig. 1 einen vereinfachten Längsschnitt durch die Endpartie des Stators eines gasgekühlten Turbogenerators mit indirekt gekühlter Statorwicklung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Wickelkopf des Turbogenera tors nach Fig. 1;

Fig. 3 einen mehr ins Detail gehenden Querschnitt durch den Wickelkopf des Turbogenerators gemäß Fig. 1, wobei die der Versteifung und Abstützung dienenden Bau teile fortgelassen sind;

Fig. 4 einen Längsschnitt durch zwei benachbarte Wickel kopfleiter mit dazwischenliegendem Füllstück;

Fig. 5 einen Querschnitt durch die Ausführungsform nach Fig. 4 längs deren Linie AA;

Fig. 6 eine Variante des Füllstücks nach Fig. 4 mit einem Wellprofil zur Erhöhung der Oberfläche;

Fig. 7 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Füllstücks mit Wabenstruktur.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die Statorendpartie des Turbogenerators nach Fig. 1 weist einen mit einer indirekt gekühlten Statorwicklung versehenen Sta torblechkörper 1 auf. Die Statorwicklung besteht aus Unterstä ben 2 und Oberstäben 3, die in Nuten 4 am Innenumfang des Sta torblechkörpers 1 angeordnet sind.

Nach dem Austritt aus dem Statorblechkörper 1 sind Unter- und Oberstäbe einer Nut 4 in an sich bekannter Weise jeweils in verschiedene Richtungen abgebogen und an ihren freien Enden elektrisch und mechanisch mittels metallischer Ösen (5) mit Ober- bzw. Unterstäben aus einer anderen Nut zu einer Wicklung verbunden. Neben dieser Biegung in Umfangsrichtung sind die Ober- und Unterstäbe zusätzlich nach außen abgebogen. Auf diese Weise ergibt sich eine Art Gitterstruktur aus sich kreu zenden Leitern, wie sie in der Draufsicht nach Fig. 2 von der Maschinenachse her dargestellt ist, wobei die Stirnbügelab schnitte aller Unter- und Oberstäbe auf zwei voneinander di stanzierten Kegelmänteln liegen, und deren Symmetrieachsen mit der Maschinenlängsachse zusammenfallen.

Die radiale Abstützung der Stirnbügel erfolgt im Beispielsfall an Tragwinkeln 6, die an der Pressplatte 7 des Statorblechkör pers 1 befestigt sind. Zur Fixierung an den Tragwinkeln 6 und zur Sicherung in Umfangsrichtung sind Glasfaserkordeln 8 um beide Leiterlagen geschlungen, die durch Bohrungen 9 in den Tragwinkeln 6 geführt sind und nach dem Einziehen mit Tränk harz getränkt und ausgehärtet wurden. Andere Glaskordeln 10 derselben Bauart sind in Umfangsrichtung in die Distanzen zwi schen die Stirnbügel von Unter- und Oberstäben zur Distanzie rung der beiden Leiterlagen 2 und 3 eingezogen.

Die Kühlung der Leiter im Wickelkopf erfolgt durch einen Teil strom des Kühlgasstroms, der normalerweise von einem auf der Rotorwelle angeordneten Ventilator erzeugt wird (vgl. Bild 3 Brown Boveri Technik a.a.O.). Dieser Teilstrom ist in Fig. 1 durch die beiden Pfeile symbolisiert; der Strömungsrichtung kann aber auch in umgekehrter Richtung, d. h. von außen nach innen verlaufen.

Insoweit entspricht die beschriebene und in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellte elektrische Maschine dem Stand der Technik.

Wie nun bereits eingangs erläutert wurde, läßt sich die Küh lungseffizienz kaum durch Erhöhung des Volumenstroms durch den Wickelkopf steigern, weil dabei nur ein Teil des Kühlgases mit dem Leiteroberflächen in Wärmetausch gebracht werden kann. Um nun bei gleichem Volumenstrom die Kühlwirkung des Kühlgases zu erhöhen, sieht die Erfindung vor, zwischen jeweils zwei in Um fangsrichtung benachbarten Stirnbügeln 2 bzw. 3 Füllstücke 11 aus nichtmetallischem Material anzuordnen. Diese Füllstücke 11 sind in den Fig. 3 und 4 dargestellt und weisen - in Umfangs richtung gesehen - I-förmigen Querschnitt auf, mit einem lang gestreckten Mittelteil 12 und kurzen Endstücken 13 an beiden Enden. Letztere weisen eine in Umfangsrichtung gemessene mitt lere Breite auf, die der mittleren Distanz zwischen zwei be nachbarten Stirnbügeln einer Lage entspricht. Die (radiale) Höhe der Füllstücke entspricht dabei etwa der radialen Höhe der Stirnbügel 2 bzw. 3.

Die Füllstücke 11 werden beim Einbau der Leiterstäbe in die Distanzen zwischen benachbarte Unter- bzw. Oberstäbe 2 bzw. 3 eingesetzt, und zwar in dem wenig gekrümmten Abschnitt des Stabes dem Austritt aus dem Statorblechkörper und den Ösen 5 am Stabende. Sie sind vorzugsweise unterteilt, um das Einzie hen der Glaskordeln 8 oder anderen Spannvorrichtungen zu er mögliche. Ihre Seitenflächen sind vorzugsweise der Geometrie der Stabbreitseite angepaßt, wie aus Fig. 5 hervorgeht, d. h. sie kragen am an den Längskanten leicht vor und schmiegen sich dort der Rundung der Leiterstäbe an.

Durch die beschriebene Gestalt der Füllstücke 11 werden ab schnittsweise die freien Durchtrittsflächen zwischen in Um fangsrichtung benachbarten Stirnbügeln bzw. Leiterstäben 2, 3 derart eingeengt, so daß das Kühlgas gezielt an den Breitsei ten der Leiterstäbe entlang im wesentlichen radial nach außen oder nach innen geführt wird. Je nach Anzahl von Füllstücken 11 und/oder Dicke des Mitteilteils 12 lassen sich die verblei benden Durchtrittsflächen 14 und 15 den jeweiligen Gegebenhei ten anpassen.

Der Wärmetausch zwischen Kühlgas und den Leiterstäben kann noch intensiviert werden, wenn gemäß Fig. 6 in die verbleiben den Räume zwischen Stabbreitseite und Mittelteil 12 des Füll stücks 11 ein Kühlelement in Gestalt eines wellfederartigen oder mäanderförmigen nichtmetallischen, thermisch gut leiten den Bauteils 16 eingelegt ist, dessen "Wellen" senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufen. Dieses Bauteil behindert die Strömung wenig, sorgt aber für eine Vergrößerung der wärmeab führenden Oberfläche. Das Bauteil 16 kann vorteilhafterweise in Umfangsrichtung Federeigenschaften aufweisen, so daß es eine gewissen Klemmwirkung auf das Füllstück 11 ausübt, was Setzerscheinungen im Wickelkopfverand auffangen kann, und dar über hinaus auch die gewünschte thermische und elektrische An kopplung des Füllstücks sichert.

Eine andere Variante eines Füllstücks ist in Fig. 7 beispiels weise veranschaulicht. Dort dient zur Einengung des Quer schnitts ein Wabenkörper 17, dessen Waben annähernd parallel zur Strömungsrichtung verlaufen. Im mittleren Abschnitt 12a sind dabei die Waben verschlossen, so daß analog zum Füll stück nach Fig. 4 nur die an die Leiterstabbreitseiten angren zenden Waben bzw. Wabenschichten für das Kühlgas durchlässig sind. Der Wabenkörper vereinigt damit neben seiner Funktion als Schikane auch die der Oberflächenvergrößerung, die mit dem Bauteil 16 der Ausführung nach Fig. 6 erzielbar ist. Sollte es sich erweisen, daß der Wabenkörper 17 allein die auf ihn in Umfangsrichtung wirkenden Kräfte nicht aufnehmen kann, kön nen zusätzlich Distanzstücke 18 vorgesehen werden, die mit dem Wabenkörper 17 als Baueinheit ausgebildet sind. Diese Distanz stücke 18 können einen ähnlichen an die Leiterstabgeometrie angepaßten Querschnitt aufweisen wie die Endstücke 13 nach Fig. 5.

Alle im vorstehenden beschriebenen Füllstücke bestehen aus ei nem nichtmetallischen Material, vorzugsweise glas- oder kohle faserverstärktem Kunstoff. Zwecks Potentialsteuerung sind sie zumindest oberflächlich mit einem elektrisch halbleitenden Über zug, z. B. einem Anstrich mit einem Siliziumkarbid enthal tendem Kunstharzlack, versehen, oder das Material, aus welchem die Füllstücke gefertigt sind, ist selbst halbleitend, z. B. Hartglasgewebe, dessen Bindemittel halbleitende Komponenten beigemengt wurden. Sofern an den Phasentrennungen überhaupt Füllstücke vorgesehen sind, kann dort aus Gründen der Span nungssicherheit der halbleitende Überzug fehlen, oder bei Ma terialien mit Volumenleitfähigkeit können dort Füllstücke aus Isoliermaterial Verwendung finden.

Ohne den durch die Erfindung gesteckten Rahmen zu verlassen, sind vielfältige andere Ausgestaltungen der Füllstücke mög lich, z. B. bei vergleichsweise langgestreckten Füllstücken können zwischen den Endstücken 13 Zwischenstege 19 - in Fig. 4 strichliert eingezeichnet - vorgesehen sein.

Je nach den örtlichen Gegebenheiten im Wickelkopf und der Lage der Phasentrennungen können auch einzelne oder Gruppen von Füllstücken 11 weggelassen werden.

Bezugszeichenliste

1 Statorblechkörper
2 Unterstab
3 Oberstab
4 Statornut
5 Ösen
6 Haltewinkel
7 Statorpressplatte
8, 10 Glaskordeln
9 Löcher in 6
11 Füllstücke
12 Mittelteil von 11
12a Mittelteil von 17
13 Endstücke von 11
14, 15 Durchtrittsflächen bzw. -kanäle
16 Wellfeder
17 Wabenkörper
18 Distanzstücke
19 Zwischenstege
14, 15 Durchtrittflächen
16 Wellfeder
17 Wabenkörper
18 Distanzstücke
19 Hauptisolation
20 Teilleiter

Claims

1. Gasgekühlte elektrische Maschine mit einem Rotor, einem Stator und einem den Stator umgebenden Gehäuse, mit zwei in einer Nut (4) übereinanderliegenden, aus gegeneinander isolierten Teilleitern (20) aufgebauten Statorwicklungs stäben (2, 3), die außerhalb des Statorblechkörpers (1) im Wickelkopfraum elektrisch und mechanisch miteinander zu einer Wicklung verbunden sind, und einem Ventilator auf jeder Maschinenseite zur Erzeugung eines Kühlgas stroms durch die Maschine, wobei ein Teilstrom dieses Kühlgasstroms durch den Wickelkopf geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwischen einigen in Um fangsrichtung benachbarten Wicklungsstäben (2; 3) Füll stücke (11) aus nichtmetallischem Material vorgesehen sind, welche die freien Durchtrittsflächen zwischen in Umfangsrichtung benachbarten Wicklungsstäben derart einengen, daß das Kühlgas gezielt an den Breitseiten der Wicklungsstäbe (2, 3) im wesentlichen radial nach innen oder radial nach außen geführt ist.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Füllstücke (11) einen langgestreckten Mittelteil (12) und Endstücke (13) aufweisen, wobei die in Umfangsrichtung gemessene Breite des Mittelteils (12) kleiner ist als die lichte Weite zwischen in Umfangsrich tung benachbarten Stäben (2; 3).

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß im Raum (14, 15) zwischen dem Mittelteil (12) und den Wicklungsstäben (2; 3) Kühlelemente (16) vor gesehen sind.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kühlelemente als wellfederartige oder mäanderförmige nichtmetallische Streifen (16) ausgebildet sind, wobei die dadurch geschaffenen Kanäle annähernd parallel zu Strömungsrichtung des Kühlgases verlaufen.

5. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Füllstücke (11) als Wabenkörper (17) ausgebildet sind, welche die Distanz zwischen in Umfangs richtung benachbarten Wicklungsstäben (2; 3) ausfüllen, wobei dessen Waben annähernd parallel zur Strömungsrich tung des Kühlgases verlaufen.

6. Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß im mittleren Abschnitt des Wabenkörpers (17) die Waben verschlossen sind.

7. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllstücke (11) mehr heitlich aus einem elektrisch halbleitenden Material be stehen und/oder mit einem elektrisch halbleitenden Mate rial beschichtet sind.