DE19621058A1 - Wicklung mit direkter Kühlung - Google Patents

Description

Der Gegenstand der Erfindung bezieht sich auf eine Wicklung mit direkter Kühlung, insbesondere für Läufer­ spulen, mit axialen Kühlkanälen.

Mit steigender Generatorleistung ist es erforderlich, die Kühlung der Läuferwicklung zu intensivieren. Je nach Kühlmittel und Kühlungsart eines Generatorläufers werden die Spulen völlig unterschiedlich gestaltet und gefertigt sowie verschiedenartige Leiterformen verwen­ det. Die Kühlung des Generatorläufers kann auf zwei Wegen erfolgen. Zunächst, bei einer indirekten Kühlung des Generatorläufers, wird die in den Leitern anfallen­ de Wärme über Kühlflächen außerhalb des Leiters an ein Kühlmedium abgeführt. Bei dem Kühlmedium kann es sich um ein Gas, beispielsweise Stickstoff oder Wasserstoff oder um eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, han­ deln. Ferner, bei einer direkten Leiterkühlung, wird die in den Leitern anfallende Wärme von Kühlflächen im Inneren des Leiters direkt an ein Kühlfluid abgegeben.

Bei modernen Generatoren mittlerer und größerer Lei­ stung wird überwiegend eine direkte Leiterkühlung rea­ lisiert. Für eine direkte Leiterkühlung weisen die Lei­ ter der Wicklung Kühlkanäle auf, die von einem Kühl­ fluid durchströmbar sind. Bevorzugt strömt ein Kühl­ fluid stirnseitig in Kühlkanäle ein, die im Leiter aus­ gebildet sind. Es sind Leiter bekannt, die einteilig ausgebildet sind. Diese einteilig ausgebildeten Leiter weisen wenigstens einen sich in axialer Richtung er­ streckenden Kühlkanal auf. Des weiteren sind einteilige Leiter bekannt, die wenigstens in einer Längsfläche, die der im Läufer ausgebildeten Leiternut zugewandt ist, eine Nut aufweisen. Der Kanal wird durch die im Leiter ausgebildete Nut sowie die angrenzende Fläche der im Läufer ausgebildeten Nut begrenzt. Der Quer­ schnitt einer solchen Nut kann unterschiedlicher Ge­ stalt sein. So ist beispielsweise eine teilkreisförmige sowie eine pilzförmige Nut bekannt. Neben einem eintei­ ligen Leiter, in dem der Kühlkanal ausgebildet ist, sind geteilte Leiter bekannt, die mit Nuten versehen sind, die überlappend übereinander angeordnet werden. Solche geteilten Leiter bilden einen geschlossenen Kühlkanal.

Die vorstehend beschriebenen Leiterformen sind in "Herstellung der Wicklungen elektrischer Ma­ schinen" herausgegeben von H. Sequenz, Prof. an der Technischen Hochschule in Wien, Springer Verlag 1973, beschrieben. Bei einem geteilten Leiter befinden sich die Leiterteile auf einem gleichen elektrischen Poten­ tial. Aufgrund der mechanischen sowie elektromagneti­ schen Kräfte, die während des Betriebes eines Läufers entstehen, kommt es zu einer Relativbewegung zwischen zwei benachbarten Leiterteilen. Bei einer solchen Rela­ tivbewegung reiben die aufeinanderliegenden Flächen der Leiterteile aneinander. Hierdurch entsteht ein Werk­ stoffabtrag, der unerwünscht ist. Solche Anordnung ge­ teilter Leiter hat sich daher in der Praxis nur in ei­ nem sehr beschränkten Umfang durchgesetzt.

Die unterschiedlichsten Ausgestaltungen eines Kühlka­ nals im Leiter haben unterschiedliche Vor- und Nachtei­ le, die sich auch aus der Fertigung des Leiters erge­ ben. Ein Leiter mit wenigstens einer sich in Längsrich­ tung des Leiters erstreckenden Nut ist leicht herstell­ bar. Nachteilig bei solch einem Leiter, wie er als ge­ teilter Leiter mit metallischen Berührungsflächen aus­ geführt wird, ist, daß ein Abrieb des Leiterwerkstoffes durch Reiben benachbarter Leiterteile eintreten kann. Der hydraulische Durchmesser eines solchen Leiters ist relativ klein, weshalb Kühlprobleme durch verringerten Gasdurchsatz sowie erhöhte Strömungsverluste berück­ sichtigt werden müssen.

Durch H. Sequenz ist auch bekannt, daß das in axialer Richtung des Leiters strömende Kühlfluid nach einem vorgegebenen Strömungsweg in radialer Richtung aus den Leitern herausströmt. Hierzu ist es notwendig, in den einzelnen Leitern radiale Bohrungen bzw. radial verlau­ fende Kühlkanäle auszubilden. Desweiteren ist sicherzu­ stellen, daß das Kühlfluid an der entsprechenden Stelle von einer axialen Strömungsrichtung in eine radiale Strömungsrichtung umgelenkt wird. Hierzu ist es notwen­ dig, den Querschnitt des axial verlaufenden Kühlkanals an der entsprechenden Stelle zu verschließen. Bei den bekannten Leitern erfolgte dies dadurch, daß der axiale Kühlkanal in den radialen Kühlkanal, durch den das Kühlfluid die Wicklung verläßt, mündete.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wicklung anzugeben, die auch bei Leitern, die bis­ her für eine direkte Kühlung nicht zugänglich waren, leistungsfähige Kühlkanäle ausbildet. Insbesondere soll auch bei langen Kühlwegen eine Verbesserung des Volu­ menstromes durch günstigere hydraulische Verhältnisse zu einer besseren Kühlung der Wicklung führen. Deswei­ teren sollen die Profile kostengünstiger und qualitativ besser hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird durch einen Leiter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Leiters sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der erfindungsgemäße Lösungsvorschlag zeichnet sich dadurch aus, daß der Kühlkanal durch die Wandung be­ nachbarter Leiter begrenzt ist. Mit anderen Worten, der Kühlkanal wird durch zwei verschiedene Leiter gebildet, die auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen lie­ gen. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird eine ge­ meinsame Kühlung der benachbarten Leiter erreicht, wo­ bei die Isolation zwischen den Leitern durchbrochen sein kann. Im letzteren Fall können auch bei flachen Leitern größere hydraulische Durchmesser erzielt wer­ den. Die Isolation kann auf einer Ober- oder Unterseite eines Leiters ausgebildet sein, wobei diese zwischenge­ legt oder aufgeklebt ist. Sie bildet dabei einen Be­ standteil der jeweiligen Leiterwandung. Größere hydrau­ lische Durchmesser des Kühlkanals ermöglichen eine we­ sentlich verbesserte Kühlwirkung, als dies bei einem Einzelleiter mit einem durchgehenden Kanal möglich wä­ re. Mit diesem Lösungsvorschlag wird ein neuer Entwick­ lungsweg bei Wicklungen mit direkter Kühlung beschrit­ ten, da zum erstenmal ein Kühlkanal vorgeschlagen wird, der durch zwei auf unterschiedlichen Potentialen lie­ genden Leitern gebildet wird. Zwei Leitern mit unter­ schiedlichen Potentialen bilden somit eine Funktions­ gemeinschaft. Da zwei verschiedene Leiter verschieden angeschlossen sind und damit definitionsgemäß verschie­ dene Wege haben, kann die Funktionsgemeinschaft nur auf den Strecken gebildet werden, auf denen die Leiter di­ rekt benachbart parallel laufen. Aus diesen und auch aus kühltechnischen Gründen muß die Funktionsgemein­ schaft an definierten Stellen begonnen oder aufgehoben werden können. Ohne diese Konsequenz ist eine Funk­ tionsgemeinschaft nicht ausführbar, im Unterschied zu den konventionellen geteilten Leitern, die prinzipiell von Anschluß zu Anschluß parallel geführt werden kön­ nen.

Eine besonders kostengünstige Herstellung einer Wick­ lung wird dadurch erzielt, daß der Kühlkanal durch eine sich in axialer Richtung des Leiters erstreckende Nut gebildet ist. Die Zugänglichkeit des offenen Kühlkanals und die Maßhaltigkeit ermöglichen in optimaler Weise automatisierte Fertigungsprozesse. Beim Einbau der Wicklung ist gegenüber den geteilten Leitern nur eine halbe Leiterzahl einzulegen und zu verlöten.

Vorzugsweise wird in jedem Leiter eine im wesentlichen im Querschnitt rechteckförmige Nut ausgebildet. Gemäß einem weiteren vorteilhaften Gedanken wird vorgeschla­ gen, daß die Nuten benachbarter Leiter einen gemeinsa­ men Kühlkanal bilden. Hierzu ist in jedem Leiter je­ weils eine Nut ausgebildet. Die Nuten können unter­ schiedlicher Querschnittsgröße sein. Der Querschnitt des sich daraus ergebenden Kühlkanals ist abhängig von der Kühlaufgabe.

Die erfindungsgemäße Wicklung weist auch einen im we­ sentlichen senkrecht zum Kühlkanal verlaufenden Aus­ trittskanal auf. Seitliche Austritte sind möglich, aber nur außerhalb der Nut sinnvoll. In diesen Fällen emp­ fiehlt es sich, den Kanal mehr am Rand vorzusehen, und Isolationen aufzubringen, die unverrückbar durch Form­ schluß gehalten werden, oder aber die Schmalseite durch Spaltdistanzierung zu isolieren. Der Kühlkanal mündet in den Austrittskanal. Im Kühlkanal und gegenüber der Mündung des Kühlkanals ist vorzugsweise ein Umlenkele­ ment angeordnet. Das Umlenkelement besteht aus einem elektrisch nicht leitenden Werkstoff. Erstreckt sich der Kühlkanal über die gesamte axiale Länge des Lei­ ters, so ist ein solcher elektrischer Leiter mit einem Umlenkelement kostengünstig herstellbar, da die Ein­ bringung eines Umlenkelementes in den Kühlkanal durch die offene Nut erfolgen kann. Durch geeignete strö­ mungstechnische Ausgestaltungen des Umlenkelementes können auch die Strömungsverluste im Umlenkbereich ver­ ringert werden. Insbesondere kann die Ausbildung von sogenannten "Totwassern" vermieden werden.

Zur Festlegung des Umlenkelementes im Kühlkanal ist vorzugsweise in der Kanalwandung wenigstens eine Aus­ nehmung zur Aufnahme des Umlenkelementes vorgesehen. Insbesondere sind in den gegenüberliegenden Wänden der Wandung jeweils Ausnehmungen ausgebildet, in die das Umlenkelement hineingreift.

Zur Durchspülung eines Kühlkanals weist das Umlenkele­ ment wenigstens eine in axialer Richtung verlaufende Durchgangsöffnung auf. Die Durchgangsöffnung ist vor­ zugsweise im Randbereich des Umlenkelementes ausgebil­ det, wodurch Ablagerungen vermieden werden. Die Ausbil­ dung kann dadurch erfolgen, daß im Randbereich eine Einkerbung ausgebildet wird.

Die Verwendung eines Leiters mit einer offenen Nut als Kühlkanal eignet sich insbesondere zur Ausbildung eines rechteckigen Wickelkopfes. Im axialen Spulenteil sind vorzugsweise die Leiter mit offenem Kanalquerschnitt angeordnet. Im tangentialen Teil können dann z. B. die Bügel mit einem geschlossenen Kanal in einem Leiter ausgeführt und mit den axialen Leitern in Form einer Viereckenlötung als Schnittstelle verbunden werden. Diese Schnittstelle kann die erfindungsgemäße Funk­ tionsgemeinschaft der Leiter eröffnen und aufheben, je nach Erfordernis. Die offene Ausgestaltung ermöglicht nicht nur eine hohe Maßhaltigkeit der Kanalnut für au­ tomatisierte Fertigungsverfahren, sondern ermöglicht auch die Entfernung aller bei der Herstellung des Lei­ ters entstehenden Ziehspäne vor allem auch im Kanalbe­ reich. Bei offenen Leitern im Tangentialbereich beste­ hen in einigen Fällen Bedenken, daß die Leiterisolation durch axialen thermischen Schub beschädigt wird. Bei den Spulenanschlüssen und -verbindungen kann es eine Funktionsgemeinschaft von zwei Leitern nicht mehr ge­ ben. Für diese Problemstellen verbleibt bei Leitern, die für direkte Kühlungen zu flach sind, dann nur eine Oberflächenkühlung.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden an­ hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei­ spiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 zeigt im Querschnitt eine Leiteranordnung einer Wicklung in einer Nut eines Läufers,

Fig. 2 schematisch einen Läufer mit Kühlfluidströ­ mung und

Fig. 3 Axialleiter in Verbindung mit einem Tangenti­ alleiter im Wickelkopf einer elektrischen Maschine.

Fig. 4 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Wick­ lung,

Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Wick­ lung,

Fig. 6 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Wick­ lung im Querschnitt,

Fig. 7 vergrößert eine Einzelheit der Wicklung nach Fig. 6,

Fig. 8 eine Wicklung mit mehreren Leitern mit einem gemeinsamen Austrittskanal, und

Fig. 9 Leiter im Querschnitt.

In der Fig. 1 ist eine Anordnung mehrerer Leiter 2 in einer Leiternut 20 dargestellt, die einen Teil einer Wicklung bildet. Die Leiternut 20 ist in einem Läufer 21 ausgebildet. Jeder Leiter 2 und 3 weist einen Kühl­ kanal 6 auf, der sich in axialer Richtung des Leiters 2 bzw. 3 erstreckt. Der Kühlkanal 6 ist durch eine nach oben hin offene Nut gebildet. Die der Nut gegebenüber­ liegende Fläche 22 des Leiters 2 schließt die offene Nut 20 des Leiters 3 ab und bildet so in Funktionsge­ meinschaft beider Leiter 2, 3 einen geschlossenen Kanal 6. Die Leiteranordnung ist durch einen Keil 23 in der Nut 20 festgelegt. Zwischen dem Keil 23 und dem, dem Keil 23 nächstliegenden Leiter ist eine Nutkopfeinlage 24 angeordnet. Die Leiter 2, 3 befinden sich auf unter­ schiedlichen elektrischen Potentialen.

Die Fig. 2 zeigt den Läufer 21 einer elektrischen Ma­ schine. Wie aus der Darstellung der Fig. 2 ersichtlich ist, sind im Läufer 21 Leiter 2 in axialer Richtung des Läufers 21 angeordnet. Die Anordnung der Leiter 1 ent­ spricht im wesentlichen der Anordnung der Leiter nach Fig. 1. Ein Kühlfluid F strömt von den Stirnseiten des Läufers 21 in einen jeden Leiter 2, 3 hinein, durch­ strömt diesen jeweils in axialer Richtung und strömt über radiale Austrittskanäle aus den Leitern 2, 3 her­ aus.

In der Fig. 4 ist der prinzipielle Aufbau einer Aus­ führungsform einer Wicklung 1 dargestellt. Die Wicklung 1 weist einen ersten Leiter 2 und einen zweiten Leiter 3 auf. Sowohl in dem ersten Leiter 2 als auch im Leiter 3 sind jeweils zwei im Abstand zueinander und parallel verlaufende Nuten 4, 15 bzw. 5, 16 ausgebildet. Die Nuten 4, 5 bilden einen ersten Kühlkanal 6. Die Nuten 15, 16 bilden einen zweiten Kühlkanal 17. Zwischen den Leitern 2, 3 ist eine elektrische Isolierung vorgese­ hen, wobei diese den Kühlkanal 6, 7 freigibt.

Eine Weiterentwicklung der in der Fig. 4 dargestellten Wicklung 1 zeigt die Fig. 5. Der prinzipielle Aufbau der Wicklung 1 nach Fig. 5 entspricht dem Aufbau der in der Fig. 1 dargestellten Wicklung 1. Die Leiter 2, 3 sind mittels eines doppelschwalbenschwanzförmigen Keils 18 formschlüssig miteinander verbunden und bilden eine bauliche Einheit. Der Keil 18 ist elektrisch ge­ genüber dem Leiter 2 und 3 isoliert.

In der Fig. 6 ist eine Wicklung 1 für eine elektrische Maschine im Querschnitt dargestellt. Die Wicklung 1 weist einen ersten Leiter 2 und einen zweiten Leiter 3 auf. Der erste Leiter 2 weist eine erste in axialer Richtung verlaufende Nut 4 auf. Der zweite Leiter 3 weist eine zweite in axialer Richtung verlaufende Nut 5 auf. Die erste Nut 4 und die zweite Nut 5 weisen im wesentlichen einen rechteckförmigen Querschnitt auf. Der Querschnitt der ersten und der zweiten Nut ist gleich. Der erste Leiter 2 und der zweite Leiter 3 sind so zueinander angeordnet, daß die erste Nut 4 und die zweite Nut 5 einen gemeinsamen Kühlkanal 6 mit einem geschlossenen Querschnitt bilden.

In dem Kühlkanal 6 ist ein Umlenkelement 7 angeordnet. Das Umlenkelement 7 weist eine Rastnase 8 auf, die in eine Ausnehmung 9 des ersten Leiters 2 hineinragt. Wie insbesondere aus der Fig. 7 ersichtlich ist, weist das Umlenkelement 7 eine im Randbereich 8 ausgebildete Durchgangsöffnung 9 auf. Die Durchgangsöffnung 9 ermög­ licht einem Teilstrom des Kühlfluids zwischen der Wand 10 des ersten Leiters 3 und dem Umlenkelement 7 in axialer Richtung hindurchzuströmen. Durch diese Hinter­ spülung sollen Kriechströme oder Leiterschlüsse durch Ablagerungen vermieden werden. Bezugnehmend auf die Fig. 6 weist das Umlenkelement 7 beidseits Ausnehmun­ gen 9 auf. Das Umlenkelement 7 ist mit der Wandung 11 des ersten Leiters 2 im Bereich 12 verklebt.

Zwischen dem ersten Leiter 2 und dem zweiten Leiter 3 ist eine elektrische Isolierung 13 vorgesehen, welche in eine im Umlenkelement 7 ausgearbeitete Ausnehmung 14 hineinragt.

In der Fig. 8 sind mehrere Leiter 2 und 3 dargestellt. Die Leiter 2 und 3 sind übereinander angeordnet. In jedem Leiter 2 und 3 ist jeweils ein Kühlkanal 6 ausge­ bildet. Der Leiter 2 entspricht vom Aufbau her dem in der Fig. 3 dargestellten Leiter. Die Kühlkanäle 6 der Leiter 2 und 3, die sich in axialer Richtung erstrecken, sind über einen gemeinsamen im wesentlichen senk­ recht zum Kühlkanal 6 verlaufenden Austrittskanal 19 miteinander verbunden. Der besseren Übersichtlichkeit wegen ist auf die Darstellung eines Umlenkelementes in den Kanälen 6 verzichtet worden.

Fig. 3 zeigt die Anordnung der axialen Leiter 2, 3 in Verbindung mit einem Tangentialleiter 25. Der Tangenti­ alleiter 25 weist Kühlkanäle auf, die in strömungstech­ nischer Verbindung mit den Kühlkanälen 6 der Leiter 2 stehen. Der Tangentialleiter 25 weist ein einteiliges geschlossenes Kanalprofil auf. Die in der Fig. 3 dar­ gestellte Ausführungsform stellt eine besonders günsti­ ge Kombination der Leiter zur Ausführung eines recht­ eckigen Winkelkopfes dar. Die Verbindung des Tangenti­ alleiters 25 mit den Axialleitern 1 erfolgt mittels einer Vierecklötung, die es ermöglicht, die axialen und tangentialen Leiter 25 völlig getrennt zu gestalten und zu optimieren. Der offene Leiter 6 ist neben dem ge­ schlossenen Leiter 25 mit einem Loch das von der Be­ schaffung her kostengünstigste Profil für eine direkte Kühlung.

Fig. 9 zeigt eine Gegenüberstellung der Wicklungen 26, 27 und 28, die unterschiedlich aufgebaut sind. Der Auf­ bau zeigt lediglich eine schematische Darstellung. Die Wicklung 26 ist durch die Leiter 2 und 3 gebildet, die einen gemeinsamen Kühlkanal 6 aufweisen.

Die Wicklung 27 ist durch zwei gleiche Leiter 2 gebil­ det, die jeweils zwei geschlossene Kühlkanäle 6 auf­ weisen.

Die Wicklung 28 ist durch geteilte Leiter 2.1 und 2.2 gebildet, die jeweils einen gemeinsamen Kühlkanal 6 aufweisen. Die Leiterquerschnitte in den Wicklungen 26, 27 und 28 ist gleich.

Claims (9)

1. Leiterwicklung (1) für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Generator, die wenigstens einen von einem Fluid durchströmbaren Kühlkanal (6, 17) und wenigstens zwei geschichtet angeordnete, elektrisch gegeneinander isolierte Leiter (2, 3) aufweist, dadurch gekennzeich­ net, daß der Kühlkanal (6, 17) durch die Wandung (11) benachbarter Leiter (2, 3) begrenzt ist.

2. Wicklung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kühlkanal (6, 17) durch eine sich in axialer Richtung des Leiters (2, 3) erstreckende Nut (4, 5) gebildet ist.

3. Wicklung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Nut (4, 5) einen im wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt aufweist.

4. Wicklung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Nu­ ten (4, 5; 15, 16) benachbarter Leiter (2, 3) einen gemeinsamen Kühlkanal (6, 17) bilden.

5. Wicklung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei jeder Kühlkanal (6, 17) in einen im wesentlichen senkrecht zum Kühlkanal (6, 17) verlaufenden Aus­ trittskanal (19) mündet, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Mündung des Kühl­ kanals (6, 17) gegenüberliegend in dem Kühlkanal (6, 17) ein Umlenkelement (7) angeordnet ist.

6. Wicklung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in der Wandung (10, 11) wenigstens eine Ausnehmung zur Aufnahme des Umlenkelementes (7) ausgebildet ist.

7. Wicklung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in den gegenüberlie­ genden Wänden der Wandung (10, 11) jeweils eine Ausnehmung ausgebildet ist.

8. Wicklung nach Anspruch 5, 6 oder 7, da­ durch gekennzeichnet, daß das Um­ lenkelement (7) wenigstens eine in axialer Richtung verlaufende Durchgangsöffnung (9) aufweist.

9. Wicklung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Durchgangsöffnung (9) im Randbereich (8) des Umlenkelementes (7) aus­ gebildet ist.