DE19807708A1 - Läufer und Verfahren zur Kühlung eines Schleifrings - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Läufer für eine elektrische Ma­ schine sowie ein Verfahren zur Kühlung eines Schleifrings auf einem rotierenden Läufer einer elektrischen Maschine.

In dem Buch "Synchronmaschinen", AEG-Telefunken Handbücher Band 12, Berlin, 1990, herausgegeben von AEG Telefunken, ist eine Synchronmaschine beschrieben. Eine solche Synchronma­ schine weist eine elektrische Statorwicklung auf, die einen Läufer mit einer elektrischen Läuferwicklung umgibt. Im Gene­ ratorbetrieb einer solchen Maschine wird der Läuferwicklung ein Erregerstrom zugeführt, wodurch ein Magnetfeld aufgebaut wird. Bei Drehung des Läufers wird durch das so veränderliche Magnetfeld in der Statorwicklung eine Spannung induziert. Die Zuführung von Erregerstrom zur Läuferwicklung erfolgt häufig über Kohlebürsten, welche an Schleifringen des Läufers schleifen. Auf Seite 47 heißt es im Abschnitt 3.2.8.1 "Der Erregerstrom wird durch Kohlebürsten und Schleifringe auf die Läuferwicklung übertragen. Je nach Generatorleistung beträgt er 500 bis 5000 A. Bei großen Erregerströmen ist eine beson­ dere Kühlung der Schleifringe erforderlich: Ein eigener Schleifringlüfter saugt einen kräftigen Kühlstrom über die gewellten Schleifringoberflächen. Spiralige Kühlnuten an der Innenfläche der Schleifringe und Lüfteransätze an ihren, dem Schleifringlüfter zugewandten Stirnflächen unterstützen die Kühlwirkung". Im Bild 3/35 auf der gleichen Seite wird der erhebliche konstruktive Aufwand deutlich, der zur Kühlung der Schleifringe nötig ist. Es ist eigens ein Schleifring-Haupt­ lüfter vorgesehen, der von einem Schleifring-Lüftergehäuse umgeben ist. Die Schleifringe sind durch den Ansatz eines Schleifring-Zusatzlüfters verbreitert. Die Schleifringe sind auf einer separaten Schleifringwelle angeordnet.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Läufer für eine elektri­ sche Maschine anzugeben, der Schleifringe aufweist, welche besonders effizient und konstruktiv einfach kühlbar sind. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Ver­ fahrens zur Kühlung eines Schleifrings auf einem rotierenden Läufer einer elektrischen Maschine.

Erfindungsgemäß wird die auf einen Läufer gerichtete Aufgabe gelöst durch einen entlang einer Achse gerichteten Läufer für eine elektrische Maschine mit einer Läuferwicklung und mit einem Schleifring zur Zuführung von elektrischem Strom zur Läuferwicklung, wobei der Schleifring als Lüfter ausgebildet ist.

Als ein Lüfter ist hier jedes Mittel zu verstehen, welches durch eine Bewegung einen Gasstrom, insbesondere einen Luft­ strom, zu erzeugen vermag. Wie im oben erwähnten Handbuch ausgeführt, ist bislang ein erheblicher Aufwand erforderlich gewesen, Schleifringe effizient zu kühlen. Es wird nun ein Läufer bereitgestellt, bei dem dieser hohe Aufwand vermieden und dabei doch eine besonders effiziente Kühlung der Schleif­ ringe bereitgestellt wird. Indem die zu kühlenden Schleif­ ringe selbst als Lüfter ausgebildet sind, kann die Anordnung eines zusätzlichen Lüfters unterbleiben. Zudem wird durch ei­ nen als Lüfter ausgebildeten Schleifring Luft mit einem gro­ ßen Volumenstrom geleitet. Dies stellt eine hohe Kühlleistung sicher.

Bevorzugt ist der Schleifring als axialer Lüfter ausgebildet, so daß mit dem Schleifring ein koaxial zur Achse strömender Gasstrom erzeugbar ist. Weiter bevorzugt ist ein bezüglich der Achse axial von dem Schleifring in einem Schleifringab­ stand beabstandeter ebenfalls als Lüfter ausgebildeter Nach­ barschleifring vorgesehen, durch den ein koaxial zur Achse strömender Nachbargasstrom so erzeugbar ist, daß der Gasstrom in Richtung auf den Nachbarschleifring und der Nachbargas­ strom in Richtung auf den Schleifring strömt. Die so ausge­ bildeten Schleifringe erzeugen also jeweils einen in den Zwi­ schenraum zwischen den Schleifringen führenden Gasstrom.

Bevorzugt weist der Schleifring eine hohlzylinderförmige Nabe, einen hohlzylinderförmigen, die Nabe konzentrisch umge­ benden Außenring und zwischen Nabe und Außenring angeordnete Lüfterelemente auf. Mit dieser Ausgestaltung ist in einfacher Weise insbesondere gewährleistet, daß eine Schleifringober­ fläche unbeeinträchtigt beibehalten werden kann, auf welcher eine Kohlebürste schleifend angeordnet werden kann.

Bevorzugtermaßen ist eine die Läuferwicklung tragende Läufer­ welle vorgesehen, auf der der Schleifring aufgebracht ist. Durch die Ausbildung der Schleifringe als Lüfter können die Schleifringe in ihrer Breite reduziert werden. Ein Läufer, bei dem zur Kühlung ein Radiallüfter mittig plaziert ist, der die Luft ansaugt und über erzwungene Konvektion für die Küh­ lung der Schleifringe sorgt, ist in seiner Bauart kostspielig und die Schleifringe sind breiter als ihr eigentlicher Bür­ stenkontaktbereich. Eine solche breite Ausführung der Schleifringe sowie zusätzlicher, durch den Radiallüfter bean­ spruchter Platz ergeben eine erhebliche axiale Erstreckung des gesamten Schleifringsystems. Durch die Ausführung der Schleifringlüfter ergibt sich eine erhebliche Reduktion der Axialerstreckung des gesamten Schleifringsystems. Damit ist es möglich, die Schleifringe direkt auf die Läuferwelle auf­ zubringen und von einer separaten Schleifringwelle abzusehen. Dies bringt erhebliche Kostenvorteile mit sich.

Bevorzugt ist der Schleifring an einem freitragenden Schleif­ ringende der Läuferwelle angeordnet. Von einem kostentreiben­ den Zusatzlager kann abgesehen werden, da das gesamte Schleifringsystem eine geringe Axialerstreckung aufweist und somit freitragend ausgeführt werden kann.

Bevorzugt ist der Schleifring geschweißt. Bevorzugtermaßen ist der Schleifring gegossen.

Bevorzugtermaßen wird der Läufer in einem Turbogenerator mit einer Leistung von 100 MVA bis 500 MVA verwendet.

Erfindungsgemäß wird die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Kühlung eines Schleifrings auf einem rotierenden Läufer einer elektrischen Maschine, wobei der Läufer eine Läuferwicklung umfaßt, und wobei elektrischer Strom über den Schleifring zur Läuferwicklung geführt wird und wobei mit dem Schleifring ein Gasstrom durch den Schleif­ ring erzeugt wird.

Die Vorteile eines solchen Verfahrens ergeben sich entspre­ chend den obigen Ausführungen zu den Vorteilen eines Läufers für eine elektrische Maschine.

Die Erfindung wird beispielhaft und teilweise schematisch und nicht maßstäblich anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine elektrische Maschine mit einem Läufer,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Teil des Läufers aus Fig. 1, und

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Schleifring gemäß Fig. 2.

Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.

In Fig. 1 ist schematisch und nicht maßstäblich eine elek­ trische Maschine 3, in diesem Fall ein Turbogenerator, ge­ zeigt. In einem Gehäuse 20 ist eine elektrische Statorwick­ lung 21 angeordnet. Diese umgibt einen Läufer 1, welcher eine Läuferwelle 13 aufweist, auf der eine elektrische Läuferwick­ lung 4 angeordnet ist. Der Läufer 1 ragt mit einem Ende 14 aus dem Gehäuse 20 heraus und entstreckt sich entlang einer Achse 2. Auf dem herausragenden Ende 14 des Läufers 1 sind axial zueinander benachbart ein Schleifring 5 und ein Nach­ barschleifring 8 angeordnet. An dem Schleifring 5 und an dem Nachbarschleifring 8 schleift jeweils eine Kohlebürste 24. Die Kohlebürsten 24 sind jeweils über eine Leitung 25 mit ei­ ner nicht dargestellten Stromquelle verbunden. Die Strom­ quelle liefert einen Erregerstrom 1, welcher über die Kohle­ bürsten 24 auf den Schleifring 5 und auf den Nachbarschleif­ ring 8 übertragen wird. Von dort wird der Erregerstrom I zur Läuferwicklung 4 geleitet. Durch die Läuferwicklung 4 wird ein Magnetfeld aufgebaut. Bei Rotation des Läufers 1 ergibt sich ein ortsveränderliches Magnetfeld, welches in der Sta­ torwicklung 21 eine Spannung hervorruft. Der Erregerstrom I kann je nach Generatorleistung einige 100 bis 1000 Ampere be­ tragen. Durch einen solchen großen Erregerstrom I kommt es zu einer erheblichen Erwärmung des Schleifrings 5 und des Nach­ barschleifrings 8. Die entstehende Wärme wird effektiv da­ durch abgeführt, daß der Schleifring 5 und der Nachbar­ schleifring 8 jeweils als Lüfter ausgebildet sind, wie es im folgenden näher anhand Fig. 2 erläutert wird.

Fig. 2 zeigt das aus dem Turbogenerator 3 herausragende Ende 13A des Läufers 1 mit einem Schleifringsystem 1A. Auf der Läuferwelle 13 sind axial zueinander beabstandet ein Schleif­ ring 5 und ein Nachbarschleifring 8 angeordnet. Sie weisen zueinander einen Schleifringabstand 7 auf, der einen Zwi­ schenraum 7A ergibt. Der Schleifring 5 und der Nachbar­ schleifring 8 sind jeweils gebildet aus einer hohlzylinder­ förmigen Nabe 10, welche isoliert gegenüber dem Läufer 1 auf der Läuferwelle 13 aufsitzt. Beabstandet zur Nabe 10 weisen der Schleifring 5 und der Nachbarschleifring 8 jeweils einen hohlzylinderförmigen, konzentrisch zur Nabe 10 angeordneten Außenring 11 auf. Auf den Oberflächen jedes Außenringes 11 schleifen jeweils zwei Kohlebürsten 24. Jede Kohlebürste 24 ist über eine Leitung 25 mit einer nicht dargestellten Strom­ quelle verbunden. Durch jeden Außenring 11 und jede Nabe 10 wird jeweils ein ringförmiger Kanal 30 gebildet. In jedem Ka­ nal 30 ist eine Vielzahl von Lüfterelemente 12 vorgesehen, die als Bleche ausgeführt sein können.

Entlang der Achse 2 ist innerhalb der Läuferwelle 13 eine halbzylinderförmige erste Erregerstromzuleitung 22 und be­ nachbart zu dieser eine ebenfalls halbzylinderförmige zweite Erregerstromzuleitung 23 geführt. Der Außenring 11 des Schleifringes 5 ist mit einem Zuführungsbolzen 21B verbunden, welcher senkrecht zur Achse 2 in die Läuferwelle 13 führt. Der Zuführungsbolzen 21B des Schleifringes 5 ist mit der er­ sten Erregerstromzuleitung 22 elektrisch verbunden. Der Au­ ßenring 11 des Nachbarschleifrings 8 ist mit einem Zufüh­ rungsbolzen 21A verbunden, welcher senkrecht zur Achse 2 zur Erregerstromzuleitung 23 führt.

Im Betrieb des Turbogenerators 3 wird der Läufer 1, angetrie­ ben durch eine Turbine, in Rotation versetzt. Der Läuferwick­ lung 4 (siehe Fig. 1) wird Erregerstrom I über den Schleif­ ring 5 und den Nachbarschleifring 8 zugeführt: Über die Koh­ lebürsten 24 gelangt der Erregerstrom I auf den Schleifring 5 und den Nachbarschleifring 8 und wird über die Zuführungsbol­ zen 21, 20 den Erregerstromzuleitungen 22 und 23 zugeleitet. Diese sind mit der elektrischen Wicklung der Läuferwicklung 4 verbunden. Bei hohen Erregerströmen I, vorzugsweise bei Erre­ gerströmen I größer 100 Ampère, ist es erforderlich, den Schleifring 5 und den Nachbarschleifring 8 zu kühlen. Dies geschieht in besonders effizienter und einfacher Weise da­ durch, daß der Schleifring 5 und der Nachbarschleifring 8 je­ weils selbst als Lüfter ausgebildet sind. Bei Rotation der Läuferwelle 13 erzeugen die Lüfterelemente 12 des Schleifrin­ ges 5 und des Nachbarschleifrings 8 einen axial gerichteten Luftstrom 6, 9 durch jeden Schleifring 5, 8. Der Schleifring 5 saugt einen Luftstrom 6A an, der mittels der Lüfterelemente 12 durch den Kanal 30 als Luftstrom 6 geführt wird. Auf der dem Nachbarschleifring 8 zugewandten Seite des Schleifringes 5 tritt der Luftstrom 6 als Luftstrom 6B aus. Spiegelverkehrt zu dem Luftstrom 6 wird im Nachbarschleifring 8 durch dessen Kanal 30 über die Lüfterelemente 12 ein Nachbargasstrom 9 er­ zeugt, der als Nachbargasstrom 9b in den Zwischenraum 7A zwi­ schen den Schleifringen 5, 8 austritt. Der so als axialer Lüfter fungierende Schleifring 5 und der ebenfalls als axia­ ler Lüfter fungierende Nachbarschleifring 8 können jeweils große Volumenströme an Luft erzeugen. Damit wird eine beson­ ders hohe Kühlleistung zur Kühlung des Schleifrings 5 und des Nachbarschleifrings 8 gewährleistet. Weiterhin ist kein zu­ sätzlicher Lüfter erforderlich, so daß das gesamte Schleif­ ringsystem 1A nur eine geringe axiale Länge L beanspruchen. Damit ist das Schleifringsystem 1A unmittelbar auf der Läuferwelle 13 aufbringbar. Eine separate Schleifringwelle kann entfallen. Zudem kann für die Läuferwelle 13, an der dem Ende des Läufers 14 ein zusätzliches Lager eingespart werden, welches bei einer Länge eines konventionellen Schleifringsy­ stems 1A zur Abstützung erforderlich ist. Es ergibt sich ein freitragendes Ende 14 für die Läuferwelle 13. Die Einsparung eines zusätzlichen Lagers und einer separaten Schleifring­ welle ergibt erhebliche Kostenvorteile.

Fig. 3 zeigt den Längsschnitt III-III durch den Schleifring 5 gemäß Fig. 2. Die Lüfterbleche 12 sind so angeordnet, daß sie einen schraubenförmigen Weg für den Gasstrom 6 durch den Kanal 30 bilden.

Claims (10)

1. Entlang einer Achse (2) gerichteter Läufer (1) für eine elektrische Maschine (3) mit einer Läuferwicklung (4) und mit einem Schleifring (5) zur Zuführung von elektrischem Strom zur Läuferwicklung (4), dadurch gekennzeichnet, daß der Schleif­ ring (5) als Lüfter ausgebildet ist.

2. Läufer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schleif­ ring (5) als axialer Lüfter ausgebildet ist, so daß mit dem Schleifring (5) ein koaxial zur Achse (2) strömender Gasstrom (6) erzeugbar ist.

3. Läufer (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein bezüglich der Achse (2) von dem Schleifring (5) axial in einem Schleif­ ringabstand (7) beabstandeter und ebenfalls als Lüfter ausge­ bildeter Nachbarschleifring (8) vorgesehen ist, durch den ein koaxial zur Achse (2) strömender Nachbargasstrom (9) so er­ zeugbar ist, daß der Gasstrom (6) in Richtung auf den Nach­ barschleifring (8) und der Nachbargasstrom (9) in Richtung auf den Schleifring (5) strömt.

4. Läufer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schleif­ ring (5) eine hohlzylinderförmige Nabe (10), einen hohlzylin­ derförmigen, die Nabe (10) konzentrisch umgebenden Außenring (11) und zwischen Nabe (10) und Außenring (11) angeordnete Lüfterelemente (12) aufweist.

5. Läufer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Läuferwicklung (4) tragende Läuferwelle (13) vorgesehen ist, auf der der Schleifring (5) aufgebracht ist.

6. Läufer (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schleif­ ring (5) an einem freitragenden Ende (14) der Läuferwelle (13) angeordnet ist.

7. Läufer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schleif­ ring (5) geschweißt ist.

8. Läufer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schleif­ ring (5) gegossen ist.

9. Verwendung eines Läufers (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche in einem Generator (3), insbesondere in einem Tur­ bogenerator (3) mit einer Leistung von 100 MVA bis 500 MVA.

10. Verfahren zur Kühlung eines Schleifringes (5) auf einem rotierenden Läufer (1) einer elektrischen Maschine (3), wobei der Läufer (1) eine Läuferwicklung (4) umfaßt und wobei elek­ trischer Strom über den Schleifring (5) zur Läuferwicklung (4) geführt wird und wobei mit dem Schleifring (5) ein Gas­ strom durch den Schleifring (5) erzeugt wird.