DE1960546A1

DE1960546A1 - Elektrischer Leiter mit Kuehlkanal

Info

Publication number: DE1960546A1
Application number: DE19691960546
Authority: DE
Inventors: Bror Dalmo; John Franked; Hans Landhult; Birger Nordberg; Carl Roennevig
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1968-12-05
Filing date: 1969-12-03
Publication date: 1970-12-23
Also published as: SE315042B; CH509687A; GB1282057A; NO122850B; DE1960546B2

Description

Elektrischer leiter ait Kühlkanal

Die Erfindung betrifft einen insbesondere zur Herstellung von Wicklungen bestimmten, direktgekühlten elektrischen Leiter mit einem vom Leiter umschlossenen Kühlrohr, und weiter ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Leiters.

Bei wassergekühlten elektrischen Maschinen, öfen, Magnetspulen für Beschleuniger usw. werden oft Kupferlelter in ]?orm von Hohlleitern verwendet, bei denen das Kühlwasser im Leiterkanal in direkten Kontakt mit dem Kupfer kommt. Bei solchen Leitern kann man nur niedrige Wassergeschwindigkeiten zulassen, weil bei höheren Geschwindigkeiten Erosionsgefahr besteht. Außerdem kann es au Korrosionen aufgrund elektrolytischer Vorgänge kommen. BtIm Verbinden solcher Leiter ist man weiter im allgemeinen auf Löten angewiesen, so daß poröse Lötstellen auftreten können.

Um diese Nachteile zu vermeiden, hat man ein Rohr aus korrosionsbeständigem Material zwischen die Hälften eines geteilten Leiters gelegt. Ein solches Verfahren ist in dem deutschen Patent ,····.· Patentanmeldung P 17 64· 602.5 beschrieben. Dieses Verfahren

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ist bei den üblichen vorkommenden Stromdichten in den Leitern völlig befriedigend, aber wie durch Versuche festgestellt wurde, können bei einem mit einem Kühlrohr versehenen und gemäß dem zuvor genannten Verfahren hergestellten Leiter bei extremen Stromdichten große Temperaturunterschiede auftreten« Solche Stromdichten treten vor allem in Dämpfungewicklungen beim asynchronen Start von Synohronkompensatoren-und bei Motoren für Pumpspeicherwerke auf.

Bei einem Modellversuch mit einem stark strombelasteten Leiterat ab mit eingelegtem Kühlrohr zeigte sich, daß in der Längsrichtung des Stabes große und völlig unregelmäßige Temperaturunterschiede auftreten. Man fand, daß die höchsten Temperaturen an den Stellen lagen, an denen der Kontaktdruck zwischen Kühlrohr und Leiter keinen ausreichend hohen Wert erreichte· Berechnungen zeigen, daß die genannten Temperaturunterschiede hauptsächlich proportional dem Quadrat der Stromdichte sind, was bedeutet, daß man bei extremen Stromdichten verschärfte Aufmerksamkeit auf die Sebiete mit reduziertem Wärmeübergang zwischen Kühlrohr und Leiter richten muß und sich bei direktgekühlten Leitern nicht wie bisher damit zufriedengeben darf, daß der durchschnittliche Wärmetraneport zwischen Kühlrohr und Leiter der Wicklung eine annehmbare Durchschnittstemperatur ergibt·

Sin direktgekühlter elektrischer Leiter mit Kühlroar ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter einen lasial zur Aufnahme des Kühlrohres hat und das in diesen Kanal eingeso-

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gene Kühlrohr nach dem Einriehen durch plastisch· Verformung zur Anlage an der Kanalwandung gebracht ist. Sie Verformung des KUhlrohres ist dabei so bestirnt, daß der das Kühlrohr unmittelbar umgebend« Teil des Leiterquerschnitts plastisch und der größere übrige Teil elastisch verfonnt ist, so daß er einen ständigen Kontaktdruck auf das Kühlrohr ausübt, der auch innerhalb der zulässigen Erwärmung des Leiters erhalten bleibt.

Ein Verfahren zur Herstellung elektrischer Leiter gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß in den Leiterkanal ein Kühlrohr eingezogen wird, dessen äußere Abmessungen nur so viel kleiner als der Leiterkanal sind, daß beim Einziehen des Rohres keine Fließerseheinungen im Bohrmaterial auftreten, und bei dem das Verhältnis von Fließgrenze zum Elastizitätsmodul kleiner ist als bei dem Leitermaterial, daß das Kühlrohr nach dem Einziehen durch einen inneren überdruck so weit aufgeweitet wird, daß eine plastische Verformung des Rohres und eine im wesentlichen elastische des Leitermaterial eintritt, und daß der Querschnitt des Kühlrohres so bestimmt ist, daß das Kühlrohr nach dem Aufhören des Innendruckes in dem Leitermaterial eine elastische Verformung aufrechterhält, die auch bei der höchst zulässigen Erwärmung des Leiters einen ausreichenden Kontaktdruck zwischen Leiter und Kühlrohr ergibt·

Während bei dem genannten bekannten Leiter mit Kühlrohr der thermische Kontakt zwischen Leitermaterial und Kühlrohr dadurch erreicht wird, daß zwei mit luten versehene Leiterhälften gegen das dazwischenliegende Kühlrohr gepreßt werden, verwendet man gemäß der Erfindung einen ungeschlitzten Leiter mit einem Kanal und preßt das Kühlrohr durch Aufweiten gegen die Kanalwandung. Das Einziehen des Kühlrohres kann ohne Schwierigkeiten durchgeführt werden, da es Kühlrohrmaterial gibt, das sowohl die Forderungen hinsichtlich Dehnungsgrenze und Elastizitätsmodul sowie Korrosions- und Erosionsbeständigkeit erfüllt als auch

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einer bedeutenden plastischen Verformung ausgesetzt werden kann. Man kann also ein Kühlrohr wählen, dessen Außenabmessungen sich in ungedehntem Zustand nur so viel von der entsprechenden Innenabmessung des Leiterkanals unterscheidet, daß mehrere Meter lange Kühlrohre ohne Schwierigkeiten in Leiterkanäle derselben Länge eingezogen werden können, z.B. mit Hilfe eines Stahlseils. In jedem Pail muß ein relativ großes Spiel zwischen Rohr und Leiter vorhanden sein, da m beim Einziehen keine plastische Verformung im Kühlrohrmaterial eintreten darf.

Sie Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben, in dieser zeigen :

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zum

Aufweiten eines Kühlrohres in einem Leiter gemäß der Erfindung und

Fig. 2 und 3 den Leiter mit einem aufgeweiteten Kühlrohr im Längs- und Querschnitt.

In der Zeichnung bezeichnet 1 einen Leiter aus Kupfer mit einem zentralen Kanal 2, in den ein Kühlrohr 3 eingeschoben oder eingezogen ist. Zwischen dem Außenmantel des Kühlrohres 3 und der Bohrung 2 der Leiterschiene 1 soll gerade ein so großes Spiel vorhanden sein, daß beim Einziehen oder Einschieben des Kühlrohres in den Kanal keine plastische Verformung in diesem auftreten. Das Kühlrohr 3 ist etwas länger als die Leiterschiene und ragt mit seinen beiden Enden aus der Leiterschiene heraus.

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Sie in Flg. 1 dargestellte Vorrichtung zum Aufweiten des Kühlrohres 3 "besteht aus einer Platte 4, auf der durch sohematisch angedeutete Schrauben 7 zwei Blöcke 5 und 6 befestigt sind, von denen einer, vorzugsweise der Block 6, verschiebbar ist, um die Enden des Kühlrohres 3 zusammen mit dem Leiter 1 in die mit 13 bezeichneten Bohrungen der Blöcke 5 und 6 einsetzen zu können. Die Kanäle 13 haben Ausnehmungen 14. Hierin sitzen Gummiringe θ und elastisch nachgiebige Ringe 9 mit dreieckförmigem Querschnitt aus einem relativ hartem Material. In die genannten Ringe werden die Enden des Rohres 3 eingeschoben. Die Ringe dichten dabei die Kanäle 13 nach außen hin ab.

Der Kanal 13 des Blockes 5 ist durch eine Bohrung mit einem Schlauch 12 verbunden, durch den ein Druckmittel hohen Drucke« dem Kanal 13 zugeführt wird. Der Kanal 13 des Blockes hat eine Bohrung 10 zur Entlüftung, die während des Aufweitens durch eine Schraube 11 verschlossen ist. Durch das Rohr 12 wird dem Rohr 3 ein Druck in der Größenordnung von 2000 Atü zugeführt.

Beaufschlagt man das zwischen den Dichtungsringen 9 eingespannte Kühlrohr mit wachsendem Druck, so wird sich dieses so weit aufweiten, bis die Außenfläche des Kühlrohres 3 an der Innenwand des Leiterkanales 2 anliegt und der Druck vom Leiter aufgenommen wird. War das Spiel zwischen dem Kühlrohr 3 und der Kanalwandung anfangs sehr groß, so können bereits in diesem Stadium plastische Verformungen im Rohr 3 auftreten. Ein weiterer Druckanstieg führt au einer elastischen Aufweitung des Leiters 1 und zur weiteren plastischen Verformung des Kühlrohres 3· Der Druck wird nun so

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lange weiter erhöht, bis eine erhebliche elastische Verformung des Leiters 1 auftritt, wobei nicht ausgeschlossen ist, daß auch die Innenwand des Leiterkanals 2 wenigstens teilweise plastisch verformt wird· Aufgrund des hohen Druckes wird das KUhIrohrmaterial auch in etwaige Unebenheiten des Leiterkanals hineingepreßt, so daß die Kontaktflächen vollkommen dicht aufeinanderliegen.

Würde man die beiden konzentrischen Körper aus dem gleichen Material herstellen und könnten sie sich zusammenziehen ohne einander zu beeinflussen, so würde ihre prozentuale Längenänderung gleich groß sein, so daß in der Berührungsfläche keine nennenswerten Spannungen auftreten würden.

Bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen flüssigkeitsgekühlten Leiters wird das Leitermaterial, äms Kühlrohrmaterial und der Pumpendruck derart gewählt, daß die in der Bohrung des Leitermaterial gemessene Zurückfederung größer wird als die Zurückfederung des Kühlrohres, wenn dieses in der beschriebenen Weise über seine fließgrenze hinaus beansprucht wurde. Biese Bedingungen können z.B. dann eingehalten werden, wenn man Kupfer als Leiter-

material und restfreien Stahl als Kühlrohrmaterial wählt.

Wählt man das Spiel zwischen Kühlrohr 3 und Leitermaterial 1 hinreichend groß, so kann man sicher sein, daß das Kühlrohr immer plastisch verformt wird. Will man weiter einen maximalen Kontaktdruck zwischen dem Leiter und dem Kühlrohr erreichen,

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so muß man den Druck in dem Kühlrohr so groß wählen, daß die Kanalwandung des Leiters 1 gerade «u fließen beginnt. Unter diesen Voraussetzungen bleibt nach Wegnahme des Druckes der Leiter stete etwas elastisch aufgeweitet und übt so einen Druck auf das Kühlrohr aus. Die Materialien Müssen so gewählt werden, daß die maximal erreichbaren Dehnungen pro Längeneinheit für das Kühlrohrmaterial kleiner ist als für das Leitermaterial. Diese Bedingung kann auch folgendermaßen ausgedrückt werden : Das Verhältnis Fließgrenze su Elastizitätsmodul soll für das Kühlrohrmaterial kleiner sein als für das Leitermaterial.

Bei der Dimension!erung eines erfindungsgemäßen Leiters sollte man das Bestreben, in einen gegebenen Kanal des Leiters einen so großen Kühlkanal wie möglich auszubilden, nicht übertreiben, denn wenn dabei die Wandstärke des Ktthlrohres zu klein wird, so wird der mögliche Kontaktdruck zwischen Leiter und Kühlrohr s· klein, daß man eine Verschlechterung dee Wärmeüberganges erhält, da der Kontaktdruck in etwa in dem gleichen Maße abnimmt, wie die Wandstärke des Kühlrohres abnimmt. Qünetige Verhältnisse sseigt z.B. ein quadratischer Leiter mit einer Breite von 18 mm mit einem KUhlrohr, dessen Außendurchmesser 12 mm und dessen Wandstärke 1 mm beträgt.

Die Aufweitung des Kühlrohres kann bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren auch auf andere Weise erreicht werden. Man kann z.B. eine Anzahl Dorne mit zunehmendem Durchmesser wiederhalte Male

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durch das Rohr ziehen. Diese Methode führt jedoch nicht zu dem gleichen vollkommenen Kontakt zwischen Leiterkanal und KUhlrohr wie das hydraulische Verfahren, man erhält auch leicht örtlich eine unzulässig große Reduzierung des Kühlrohrmantels·

Eine andere Möglichkeit, das Kühlrohr aufzuweiten ist, daß man in diesem KUhlrohr eine drahtförmige Sprengleitung anordnet und diese tmbei ganz oder teilweise verschlossenen Rohrenden zündet. Ein solches Verfahren birgt aber immer das Risiko, daß Sprünge im Kühlrohr auftreten.

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Claims

Az. i P 19 60 546.0 Alia.: Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget 63 Gießen, 20.1.1970 - 9 - Mi/Sn 10.177 Patentansprüche:

1. Flüssigkeitsgekühlter elektrischer Leiter mit einem rom Leiter umgebenen Kühlrohr, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (1) einen Kanal (2) zur Aufnahme des Kühlrohres (3) hat und das in diesen Kanal eingezogene Kühlrohr nach dem Einziehen durch plastische Verformung des Rohres zur Anlage an der Kanalwandung gebracht ist,

2. Leiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der das Kühlrohr (3) unmittelbar umgebende Teil des Leiterquerschnitts plastisch und der größere übrige Seil elastisch verformt ist, so daß er einen ständigen Kontaktdruck auf das Kühlrohr ausübt, der auch innerhalb der zulässigen Erwärmung des Leiters erhalten bleibt.

3. Leiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktdruck zwischen Leiter (1) und Kühlrohr (3) so groß ist, daß eine relative Verschiebung beider zueinander in Längsrichtung des Leiters auch bei den höchsten vorkommenden Leitertemperaturen nur mit einer Zugspannung im Kühlrohr erreicht werden kann, die Über der fließgrenze des verwendeten Rohres liegt.

4. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Leiters mit einem in der Längsaohse des Leiters verlaufenden Kühlkanal, dadurch gekennieichnet, daß in den Leiterlmal ein Kühlrohr eingezogen wird, dessen äußere Abmessungen so viel kleiner——

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als der Leiterkanal sind, daß beim Einziehen des Bohre β keine Fließerscheinungen im Rohrmaterial auftreten» und bei dem das Verhältnis von Fließgrenze sub Elastizitätsmodul kleiner ist als bei dem Leitermaterial, daß das Kühlrohr nach dem Einziehen durch einen inneren überdruck so weit aufgeweitet wird, daß eine plastische Verformung des Rohres und eine im wesentlichen elastische des Leitersmaterials eintritt, und daß der Querschnitt des Kühlrohres so bestimmt ist, daß das Kühlrohr nach dem Aufhören des Innendruckes in dem Leitermaterial eine elastische Verformung aufrechterhält, die auch bei der höchst zulässigen Erwärmung des Leiters einen ausreichenden Kontaktdruck zwischen Leiter und Kühlrohr ergibt.

5· Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlrohr zwecks Aufweitung an einem Ende verschlossen und dem anderen Ende ein Druckmedium unter hohem Druck zugeführt wird.

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