DE19625866A1 - Einrichtung mit einer in einem Gehäuse angeordneten elektrischen Wicklung, einer Durchführung sowie einem Verbindungsstück - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung, umfassend eine in einem Gehäuse angeordnete elektrische Wicklung, eine elek­ trisch leitfähige, aus dem Gehäuse heraus führende und mit dem Gehäuse starr verbundene elektrische Durchführung sowie ein Verbindungsstück, über das die Wicklung mit der Durchführung elektrisch verbunden ist, wobei die Wicklung relativ zum Ge­ häuse einer betrieblichen Beanspruchung durch eine mechani­ sche Schwingung mit einer vorgegebenen Frequenz ausgesetzt ist.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein solche Ein­ richtung, bei der das Gehäuse und die Wicklung zu einer elek­ trischen Synchronmaschine, insbesondere einem Turbogenerator, gehören.

In einem elektrischen Generator hat die erwähnte Wicklung üb­ licherweise eine im wesentlichen kreisringzylindrische Ge­ stalt mit einer inneren Ausnehmung, in welcher ein Rotor um eine Achse drehbar angeordnet ist. Dieser Rotor erzeugt ein stationäres Magnetfeld, welches die Wicklung durchsetzt und durch Drehen des Rotors gedreht wird. Hierdurch wird in der Wicklung ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, und dieses Wechselfeld induziert in der Wicklung eine elektrische Span­ nung, welche ihrerseits in einem an die Wicklung angeschlos­ senen elektrischen Verbraucher einen elektrischen Strom her­ vorruft. Umgekehrt ist es auch möglich, elektrische Energie aus einer entsprechenden Quelle mit einer einem Generator äh­ nelnden Maschine in mechanische Energie umzuformen, wobei die mechanische Energie von dem drehenden Rotor abgegeben wird. Geschieht das Drehen des Rotors mit einer vorbestimmten, zeitlich im wesentlichen konstanten Drehzahl, so spricht man von einer elektrischen Synchronmaschine. Ein Beispiel für eine solche Synchronmaschine ist ein Turbogenerator, welcher mechanische Energie, die von einer Turbine geliefert wird, umformt in elektrische Energie, welche in ein öffentliches Stromversorgungsnetz eingespeist wird. Die Drehfrequenz des Turbogenerators entspricht dabei der Nennfrequenz des Strom­ versorgungsnetzes oder einem Bruchteil dieser Nennfrequenz, abhängig davon, wie viele Paare magnetische Pole der Rotor trägt. Üblich sind Turbogeneratoren mit zwei oder vier magne­ tischen Polen auf dem Rotor.

Das magnetische Wechselfeld, dem die Wicklung unterworfen ist, führt zu einer mechanischen Belastung der Wicklung, denn wenn durch Induktion in der Wicklung elektrischer Strom fließt, so erzeugt dieser seinerseits ein Magnetfeld, welches mit dem von dem Rotor erzeugten magnetischen Wechselfeld wechselwirkt. Dabei ergeben sich oszillierende mechanische Kräfte, welche in der Wicklung entsprechende mechanische Schwingungen hervorrufen. Die Kräfte werden noch verstärkt, wenn, wie dies üblich ist, die Wicklung in ein ferromagneti­ sches Joch eingebettet ist. Das magnetische Wechselfeld führt dann zu einer mechanischen Beanspruchung des gesamten Joches, woraus sich unter Umständen eine verstärkte betriebliche Be­ anspruchung der Wicklung ergibt. Diese mechanische Beanspru­ chung ist üblicherweise gekennzeichnet durch eine vorgegebene Frequenz, welche der doppelten Drehfrequenz des Rotors ent­ spricht; ist die Maschine eine Synchronmaschine, so ist diese Frequenz also fest vorgegeben.

Da ein Gehäuse, welches die Wicklung umgibt, üblicherweise fest verankert ist, werden die mechanischen Schwingungen nicht in wesentlichem Umfang auf das Gehäuse übertragen, son­ dern zwischen dem Gehäuse und der Wicklung aufgefangen und abgebaut. Dies geschieht hauptsächlich über Stützen, die die Wicklung gegen das Gehäuse abstützen.

Auch Leitungen, mit welchen die Wicklung an einen Verbraucher oder ein Stromversorgungsnetz angeschlossen werden soll, müs­ sen zwischen der Wicklung und mit dem Gehäuse starr verbunde­ nen Durchführungen, welche jeweils eine Leitung isoliert durch das Gehäuse hindurchführen, die mechanischen Schwingun­ gen abbauen. Zu diesem Zweck enthalten diese Leitungen Ver­ bindungsstücke, wobei ein Verbindungsstück jeweils zwischen der Wicklung und einer Durchführung angeordnet ist. Diese Verbindungsstücke enthalten elastische Bänder oder derglei­ chen, welche die Schwingungen abbauen. Eine Ausführungsform für ein solches Verbindungsstück ist ersichtlich aus der DE 44 34 341 A1. Eine Ausführungsform für eine Durchführung ist der DE 44 34 072 A1 entnehmbar.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung der ein­ gangs genannten Art anzugeben, deren Belastbarkeit für den angestrebten Verwendungszweck gegenüber den Einrichtungen des Standes der Technik wesentlich erhöht ist und die eine gegen­ über den Einrichtungen des Standes der Technik wesentlich verbesserte Belastbarkeit gegenüber den zu erwartenden Bean­ spruchungen durch Schwingungen aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe angegeben wird eine Einrichtung, umfassend eine in einem Gehäuse angeordnete elektrische Wick­ lung, eine elektrisch leitfähige, aus dem Gehäuse herausfüh­ rende und mit dem Gehäuse starr verbundene elektrische Durch­ führung sowie ein Verbindungsstück, über das die Wicklung mit der Durchführung elektrisch verbunden ist, wobei die Wicklung relativ zum Gehäuse einer betrieblichen Beanspruchung durch eine mechanische Schwingung mit einer vorgegebenen Frequenz ausgesetzt ist, und wobei

• a) das Verbindungsstück aus mehreren Teilen zusammengesetzt ist;
• b) das Verbindungsstück als im wesentlichen homogene Feder ausgebildet ist; und
• c) jede erste Verbindungsstelle zwischen zwei Teilen des Ver­ bindungsstücks hinsichtlich der Schwingungen versteift ist.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung wird die erforderliche Flexibilität zur Vermeidung unzulässiger Spannungen aufgrund von Wärmedehnungen, fertigungsbedingten und auszugleichenden Maßtoleranzen sowie Schwingungen ohne Einsatz von flexiblen Bändern oder dergleichen erreicht. Demgegenüber wird die Ela­ stizität des Verbindungsstücks als Ganzes aktiviert. Daraus ergibt sich die Auslegung des Verbindungsstücks als im we­ sentliche homogene Feder, d. h. als Bauelement, welches funk­ tionell vergleichbar ist einer Blattfeder oder Spiralfeder. Auch von Bedeutung ist die Zusammensetzung des Verbindungs­ stücks aus mehreren Teilen, um bei der Zusammensetzung des Verbindungsstückes allfällig vorkommende Maßabweichungen aus­ gleichen zu können. Außerdem ist jede Massenanhäufung in dem Verbindungsstück, d. h. vor allem jede erste Verbindungsstelle zwischen zwei Teilen des Verbindungsstücks, hinsichtlich der Schwingungen versteift, damit sich dort keine Resonanz auf­ bauen kann, wenn das Verbindungsstück den Schwingungen ausge­ setzt wird.

Vorzugsweise ist das Verbindungsstück in der Einrichtung an einer jeweiligen zweiten Verbindungsstelle mit der Wicklung und der Durchführung verbunden, wobei zumindest zwei Verbin­ dungsstellen, ausgewählt aus der Gruppe umfassend die erste Verbindungsstelle und die zweiten Verbindungsstellen, eine maßtolerante Verbindung in einer jeweiligen Verbindungsebene ermöglichen, und wobei die Verbindungsebenen schief, weiter­ hin vorzugsweise rechtwinklig, zueinander angeordnet sind. Diese Weiterbildung der Einrichtung ermöglicht es, Maßtole­ ranzen in drei Dimensionen auszugleichen. Das Verbindungs­ stück kann damit im wesentlichen spannungsfrei zwischen die Wicklung und die Durchführung eingefügt werden. Mechanische Belastungen dieses Verbindungsstücks treten somit nur noch in Form von Wärmedehnungen, wenn die Wicklung sich während ihres Betriebs erwärmt, und den besagten Schwingungen auf.

Das Verbindungsstück hat außerdem vorzugsweise eine S-förmig geschwungene Form, da diese Form besonders nachgiebig ist und einer eventuellen Wärmedehnung folgen kann, ohne daß dafür mechanische Spannungen in wesentlicher Höhe aufgebaut werden müssen.

Die Versteifung, mit welcher die erste Verbindungsstelle des Verbindungsstücks zu versehen ist, ist vorzugsweise eine steife Abstützung der ersten Verbindungsstelle gegen das Ge­ häuse oder gegen die Wicklung. Durch eine solche steife Ab­ stützung ist sichergestellt, daß sich an der ersten Verbin­ dungsstelle keine übermäßig starke Resonanz aufbauen kann, wenn das Verbindungsstück den mechanischen Schwingungen aus­ gesetzt wird, was der Belastbarkeit und der Lebensdauer des Verbindungsstücks zugute kommt.

Das Verbindungsstück besteht vorzugsweise aus Kupfermaterial, wobei vor allem ein Kupfermaterial in Frage kommt, welches auch sonst für Leitungszwecke in der Energietechnik verwendet wird.

Die Teile des Verbindungsstücks sind an der ersten Verbin­ dungsstelle vorzugsweise durch Schrauben miteinander verbun­ den. Schrauben kommen auch vorzugsweise an einer zweiten Ver­ bindungsstelle, an welcher das Verbindungsstück mit der Wick­ lung oder der Durchführung verbunden ist, zum Einsatz. Mit weiterem Vorzug ist dabei jede Schraube durch ein Langloch geführt und ermöglicht somit eine maßtolerante Verbindung.

Um das Entstehen einer Resonanz auszuschließen, wenn das Ver­ bindungsstück den Schwingungen ausgesetzt wird, ist das Ver­ bindungsstück vorzugsweise so ausgestaltet, daß es bezüglich der Schwingungen keine wesentliche Energiespeicherfähigkeit hat. Dieses Merkmal ist folgendermaßen zu verstehen:

Ein schwingungsfähiges System, welches zu einer Resonanz fä­ hig ist, ist generell gekennzeichnet dadurch, daß es Schwin­ gungsenergie, die ihm zugeführt wird, zu speichern vermag. Ein stationärer Zustand eines schwingungsfähigen Systems ist naturgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die von dem System dissipierte Energie gleich der dem System zugeführten Energie ist. Eine Amplitude, mit welcher das System der zugeführten Schwingung folgt, ist allerdings nicht allein bestimmt durch die zugeführte Energie, sondern sie ergibt sich aus der Summe der zugeführten Energie und einer Energie, welche das schwin­ gungsfähige System speichert. Diese gespeicherte Energie kann in einem realen Fall durchaus ein großes Vielfaches der pro Periode der Schwingung zugeführten Energie sein. Die Energie­ speicherfähigkeit eines schwingungsfähigen Systems ist somit ein Maß für die Fähigkeit des Systems, eine Resonanz auszu­ bilden. Im Zusammenhang mit vorliegender Erfindung soll dann davon ausgegangen werden, daß eine wesentliche Energiespei­ cherfähigkeit dann vorliegt, wenn das Verbindungsstück mehr als diejenige Energie zu speichern vermag, welche dem Verbin­ dungsstück während einer vollen Periode der Schwingung zuge­ führt wird.

Das Gehäuse und die Wicklung der Einrichtung gehören vorzugs­ weise zu einer elektrischen Synchronmaschine, insbesondere einem Turbogenerator. Der Turbogenerator hat dabei vorzugs­ weise eine Leistung von mehr als 10 MVA, insbesondere mehr als 100 MVA.

Ausführungsbeispiele der Erfindung gehen aus der Zeichnung hervor. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Skizze eines Verbindungsstücks für eine er­ findungsgemäße Einrichtung; und

Fig. 2 sowie Fig. 3 Ansichten eines Ausführungsbeispiels der Einrichtung.

Fig. 1 zeigt ein Verbindungsstück 1, welches aus einem S-förmig geschwungenen ersten Teil 2 und einem L-förmig geboge­ nen zweiten Teil 3 zusammengesetzt wird. Beide Teile 2 und 3 bestehen aus Kupfermaterial, wie es üblicherweise in der Energietechnik Verwendung findet. Der erste Teil 2 und der zweite Teil 3 liegen an einer ersten Verbindungsstelle 4 auf­ einander und werden dort miteinander verschraubt. An den En­ den des Verbindungsstücks 1 vorgesehen sind zweite Verb in­ dungsstellen 5, wo das Verbindungsstück 1 mit einer Wicklung bzw. einer Durchführung verschraubt werden muß, siehe Fig. 2 und 3. Für die Verschraubungen vorgesehen sind Rundlöcher 6 im ersten Teil 2 sowie Langlöcher 7 im zweiten Teil 3 an der ersten Verbindungsstelle 4, und außerdem Langlöcher 7 an den zweiten Verbindungsstellen 5. Die Langlöcher 7 erlauben es, an den Verbindungsstellen 4 und 5 maßtolerante Verbindungen herzustellen, ohne daß es einer Verbiegung der Teile 2 und 3 bedarf. Dabei ergibt sich demnach eine besonders spannungs­ arme Anordnung, bei der mit Spannungen lediglich aufgrund von Wärmedehnungen oder Schwingungen zu rechnen ist. Insgesamt beinhaltet das Verbindungsstück 1 eine S-förmig geschwungene Form und ist somit in der Lage, Wärmedehnungen durch eine al­ lenfalls in geringem Umfang zum Aufbau mechanischer Spannun­ gen neigende Verformung auszugleichen. Wie ein solches Ver­ bindungsstück 1 mechanische Belastungen durch Schwingungen auffängt, wird nunmehr anhand der Fig. 2 und 3 erläutert.

Fig. 2 und Fig. 3 zeigen verschiedene Ansichten einer Ein­ richtung, umfassend Verbindungsstücke 1 wie soeben beschrie­ ben, eine Wicklung 8, die der Übersicht halber jeweils nur teilweise erkennbar ist, Durchführungen 9 und ein Gehäuse 10, mit dem die Durchführungen 9 jeweils starr verbunden, nämlich fest verschraubt, sind. Jede Durchführung 9 dient dazu, eine Leitung isoliert durch das Gehäuse 10 hindurch zu der Wick­ lung 8 zu führen. Jedes Verbindungsstück 1 hat einen in be­ schriebener Weise zweiteiligen Aufbau und ist S-förmig ge­ schwungen.

Während des Betriebs führt die Wicklung 8 mechanische Schwin­ gungen mit einer vorgegebenen Frequenz aus; diese Frequenz entspricht dem Doppelten der Drehfrequenz eines Rotors, der ein die Wicklung 8 durchsetzendes rotierendes magnetisches Feld ausbildet. Im Falle eines Turbogenerators zur Einspei­ sung von Energie in ein öffentliches Versorgungsnetz beträgt diese Frequenz 50 Hz, 60 Hz, 100 Hz oder 120 Hz, je nach dem, ob die Frequenz des öffentlichen Versorgungsnetzes 50 oder 60 Hz beträgt und ob der Rotor vier oder zwei Magnetpole auf­ weist. Die Amplitude, mit welcher die Wicklung 8 diese Schwingungen ausführt, ist im Regelfall nicht sehr hoch; in einem Turbogenerator üblicher Bauart ist mit einer Amplitude von etwa 100 µm zu rechnen. Für eine geläufige Befestigungs­ einrichtung, wie sie zur Befestigung einer Wicklung 8 in ei­ nem Gehäuse 10 eines Turbogenerators verwendet wird, ist diese Schwingung unproblematisch; kritisch ist sie allerdings für ein Verbindungsstück 1, da dieses Verbindungsstück 1 elektrisch isoliert sein muß und im Regelfall eine ver­ gleichsweise beträchtliche freie Länge hat (als Größenordnung sei ein Wert von einem Meter genannt).

Im Hinblick auf die Schwingung besonders kritisch ist die er­ ste Verbindungsstelle 4, an welcher die beiden Teile des Ver­ bindungsstücks 1 miteinander verbunden sind. Um die erste Verbindungsstelle 4 weiter zu versteifen und damit zu verhin­ dern, daß sich dort eine mechanische Schwingung mit einer problematisch hohen Amplitude aufbaut, ist die erste Verbin­ dungsstelle 4 mit einer steifen Abstützung 11, 12 versehen. Diese ist gebildet aus einer mit dem Verbindungsstück 1 an der ersten Verbindungsstelle 4 verbundenen Lasche 11 sowie Traversen 12, mit denen alle Laschen 11 mechanisch fest ver­ bunden sind. Die Traversen 12 sind ihrerseits starr mit dem Gehäuse 10 oder der Wicklung 8, vorzugsweise mit dem Gehäuse 10, verbunden. An der ersten Verbindungsstelle 4 ist das Ver­ bindungsstück 1 mit der Lasche 11 über Schrauben 13 und Mut­ tern 14 verschraubt, in bereits angedeuteter Weise. Ebenfalls verschraubt ist das Verbindungsstück 1 mit der Durchführung 9. Eine Verbindung zwischen dem Verbindungsstück 1 und der Wicklung 8 erfolgt ebenfalls über Schrauben (in den Figuren der Übersicht halber nicht dargestellt) oder alternativ durch Löten.

Die Wicklung 8 ist in Fig. 2 und Fig. 3 nur teilweise dar­ gestellt; aus den Figuren erkennbar ist eine Ringleitung, welche mit denjenigen Teilen der Wicklung, die betrieblich einem rotierenden Magnetfeld ausgesetzt ist, in Verbindung steht. Die Konstruktion, der Aufbau und die Funktion dieser Teile ist allgemein bekannt, so daß sich an dieser Stelle eine detaillierte Erläuterung und eine detaillierte Darstel­ lung erübrigen.

Von großer Bedeutung ist die Auslegung des Verbindungsstücks 1 als homogene Feder, d. h. als Körper, welcher im wesentli­ chen in seiner Gesamtheit zu der gewünschten Federwirkung beiträgt. Eine homogene Feder kann in an sich geläufiger Weise dargestellt werden als Blattfeder, Spiralfeder oder Rohrfeder, um einige geläufige Beispiele zu nennen. Auf diese Weise jedenfalls ist sichergestellt, daß sich mechanische Be­ lastungen über das gesamte Verbindungsstück 1 verteilen und sich nicht auf isolierte Bestandteile des Verbindungsstücks 1, beispielsweise besonders vorgesehene elastische Bänder, konzentrieren. Derart wird eine lokale Überbelastung des Ver­ bindungsstücks 1 sicher vermieden. Hierzu leistet auch eine Auslegung des Verbindungsstücks 1 dahingehend, daß die Spei­ cherfähigkeit des Verbindungsstücks 1 für mechanische Energie in Form von Schwingungen, auf einen funktionell unwesentli­ chen Wert begrenzt wird, einen Beitrag. Dadurch ist ausge­ schlossen, daß das Verbindungsstück 1 als Ganzes oder teil­ weise im Rahmen der zu erwartenden betrieblichen Beanspru­ chung in eine Resonanz geraten und dabei unzuträglich bean­ sprucht werden könnte. Dadurch ist eine hohe Betriebssicher­ heit sowie eine lange Gebrauchsdauer des Verbindungsstücks 1 in der Einrichtung gewährleistet.

Claims (10)

1. Einrichtung, umfassend eine in einem Gehäuse (10) angeord­ nete elektrische Wicklung (8), eine elektrisch leitfähige, aus dem Gehäuse (10) herausführende und mit dem Gehäuse (10) starr verbundene elektrische Durchführung (9) sowie ein Ver­ bindungsstück (1) , über das die Wicklung (8) mit der Durch­ führung (9) elektrisch verbunden ist, wobei die Wicklung (8) relativ zum Gehäuse (10) einer betrieblichen Beanspruchung durch eine mechanische Schwingung mit einer vorgegebenen Fre­ quenz ausgesetzt ist, und wobei

• a) das Verbindungsstück (1) aus mehreren Teilen (2, 3) zusam­ mengesetzt ist;
• b) das Verbindungsstück (1) als im wesentlichen homogene Fe­ der ausgebildet ist; und
• c) jede erste Verbindungsstelle (4) zwischen zwei Teilen (2, 3) des Verbindungsstücks (1) hinsichtlich der Schwingungen versteift ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der das Verbindungsstück (1) an einer jeweiligen zweiten Verbindungsstelle (5) mit der Wicklung (8) und der Durchführung (9) verbunden ist, wobei zumindest zwei Verbindungsstellen (4, 5), ausgewählt aus der Gruppe umfassend die erste Verbindungsstelle (4) und die zweiten Verbindungsstellen (5), eine maßtolerante Verbindung in einer jeweiligen Verbindungsebene ermöglichen, und wobei die Verbindungsebenen schief, vorzugsweise rechtwinklig, zu­ einander angeordnet sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Verbin­ dungsstück (1) eine S-förmig geschwungene Form hat.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die erste Verbindungsstelle (4) eine steife Abstützung (11, 12) gegen das Gehäuse (10) oder gegen die Wicklung (8) aufweist.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Verbindungsstück (1) aus Kupfermaterial besteht.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Teile (2, 3) des Verbindungsstücks (1) an der ersten Verbindungsstelle (4) durch Schrauben (13) miteinander ver­ bunden sind.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Verbindungsstück (1) mit der Wicklung (8) und der Durchführung (9) an jeweils einer zweiten Verbindungsstelle (5) durch jeweilige Schrauben (13) verbunden ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, bei der jede Schraube (13) durch ein Langloch (7) geführt ist.

9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Verbindungsstück (1) bezüglich der Schwingungen keine wesentliche Energiespeicherfähigkeit hat.

10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Gehäuse (10) und die Wicklung (8) zu einer elektri­ schen Synchronmaschine, insbesondere einem Turbogenerator, gehören.