DE19942881A1

DE19942881A1 - Luftgekühlte elektrische Maschine, insbesondere Generator

Info

Publication number: DE19942881A1
Application number: DE1999142881
Authority: DE
Inventors: Hermann Eichin; Joachim Heil; Markus Iseli; Rene Leyvraz
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1999-09-08
Filing date: 1999-09-08
Publication date: 2001-03-15

Abstract

Bei einer luftgekühlten elektrischen Maschine mit 3-Kammer-Kühlung wird eine verbesserte Kühlung und damit höhere Leistung dadurch ermöglicht, dass die Kühlschlitze (12) aller Kammern (15, ..., 17) die gleiche Schlitzbreite aufweisen, dass die axiale Länge der ersten Warmluftkammer (15) mehr als 25% der Aktivlänge (AL) beträgt, und dass die axiale Länge der zweiten Warmluftkammer (17) kleiner gleich 7,5% der Aktivlänge ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektrischen Maschinen. Sie betrifft eine luftgekühlte elektrische Maschine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Maschine mit sog. 3-Kammer-Kühlung ist z. B. aus der EP-B1-0 279 064 oder der EP-B1-0 643 465 oder der EP-B1-0 639 883 der Anmelderin be kannt.

STAND DER TECHNIK

Aus dem Stand der Technik bekannt ist bei elektrischen Maschinen, insbesondere Generatoren, eine indirekte Gaskühlung der Statorwicklung.

Bei der Anmelderin erfolgt diese im Zusammenhang mit einer direkten Axialküh lung im Rotor und einer Druckventilation. Bei Maschinenleistungen bis 80 MVA wird dabei eine 3-Kammer-Kühlung mit einer einheitlichen Breite der Kühlschlitze und unterschiedlichem Schlitzabstand eingesetzt. Bei Maschinenleistungen bis 180 MVA wird dagegen eine 3-Kammer-Kühlung mit unterschiedlichen Schlitz breiten angewendet. Desweiteren ist es heute üblich, ab 90 MVA und bis zu 230 MVA eine 4-Kammer-Kühlung mit unterschiedlichen Schlitzbreiten (von 3 bis 30 mm) einzusetzen.

Andere bekannte Kühlkonzepte (Siemens Power Journal 2/93, S. 38-42, 1993) verwenden eine 2-Kammer-Kühlung bei gleichzeitiger radialer Kühlung des Ro tors. Die Kühlluft, die durch zwei Axialstrom-Ventilatoren umgewälzt wird, wird da bei in zwei Ströme zum Kühlen des Stators und des Rotors aufgespalten. In jeder der beiden Kühlkammern sind die Kühlkanäle voneinander gleich beabstandet und weisen einen identischen Querschnitt auf.

Bekannt ist aber auch (siehe die US-A-5,633,543) eine 1-Kammerkühlung mit Saugventilation, radialer Rotorkühlung und variablen Schlitzbreiten. In diesem Ge nerator werden eine Beabstandung und/oder ein Querschnittsbereich von Stator kühlkanälen, die radial vom Rotor zum dazu konzentrischen Stator verlaufen, ent lang der Länge des Stators verändert. Dadurch soll eine Verteilung von Kühlgasen über den Stator optimiert werden.

Bei allen diesen herkömmlichen Verfahren und Vorrichtungen besteht jedoch ein Problem darin, eine möglichst homogene Temperaturverteilung in der Statorwick lung zu erreichen. Daher konnte ein Kühlkonzept mit nur 3 Kammern bisher nicht bei allen Leistungsklassen verwirklicht werden. Zudem ergab sich durch verbrei terte Kühlschlitze eine Erhöhung der Radialfeldverluste in der Statorwicklung. Darüber hinaus stiegen die Fertigungskosten, da aufgrund verschieden grosser Schlitzbreiten die Verwendung einheitlicher Stegprofile für die Schlitze nicht mög lich war.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschine mit 3-Kammer- Kühlung so auszubilden, dass ein verbesserte Temperaturverteilung bei gleichzei tig verringerten Herstellungskosten für alle Leistungsklassen erreicht wird.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die erfindungsgemässe Lösung geht dabei von der Überlegung aus, dass die Wärme, die sich vor allem in der Maschinenmitte aufbaut, auch in axialer Richtung durch die Statorwicklung selbst abgeführt wird. Der Kern der Erfindung besteht nun darin, bei konstanter Schlitzbreite durch eine geeignete Veränderung der axialen Längen der einzelnen Kammern den Temperaturverlauf im Stator zu ent zerren, wobei insbesondere die (mittlere) Kaltluftkammer mit der vergleichsweise kalten Kühlluft näher zur Maschinenmitte hin verlegt wird, um über die Wärmelei tung der Statorwicklung die Maschinenmitte stärker zu kühlen.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung variiert zusätzlich die axiale Dicke der Teilblechpakete über die Aktivlänge und nimmt insbesondere zur Maschinenmitte hin ab.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusam menhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 im vereinfachten halbierten Längsschnitt den Stator einer Ma schine mit 3-Kammer-Kühlung in einer derzeit verwendeten Konfi guration (Teilfigur A) sowie die an dieser Maschine gemessenen Temperaturverteilungen in axialer Richtung (Teilfigur B); und

Fig. 2 in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung eine Konfiguration gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung (Teilfigur A) und die zugehörigen Temperaturverteilungen (Teilfi gur B).

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 1 ist in der Teilfigur A im halbierten vereinfachten Längsschnitt der Stator einer derzeit eingesetzten elektrischen Maschine mit 3-Kammer-Kühlung wieder gegeben. Der Stator umfasst eine Statorwicklung 10 mit Wickelkopf 13 und einen Statorblechkörper 18. Der Stator ist nur bis zu einer Maschinenmitte 14 darge stellt. Der Statorblechkörper 18 ist entlang der Maschinenachse unterteilt in ein zelne Teilblechpakete 11, die untereinander durch radial verlaufende Kühlschlitze 12 getrennt sind. Durch die Kühlschlitze 12 strömt Kühlluft zur Kühlung der Sta torwicklung 10. Über die halbe Aktivlänge AL der Maschine, die vom Wickelkopf 13 bis zur Maschinenmitte 14 hin reicht, ist der den Statorblechkörper 18 umge bende Aussenraum (zwischen dem Statorblechkörper 18 und einem nicht gezeig ten Gehäuse) in axialer Richtung in mehrere (drei) Kammern 15, 16 und 17 un terteilt. Die erste und dritte Kammer 15 und 17 ist eine Warmluftkammer. In den Warmluftkammern 15 und 17 wird die erwärmte Kühlluft, welche die in deren Be reich liegenden Kühlschlitze 12 radial von innen nach aussen durchströmt hat (Pfeile in Fig. 1A), gesammelt und z. B. zu einer Kühleinrichtung zurückgeführt. Die mittlere Kammer 16 ist dagegen eine Kaltluftkammer. Durch die Kaltluftkammer 16 wird frische, kalte Kühlluft von aussen herangeführt und strömt durch die in ihrem Bereich liegenden Kühlschlitze 12 radial von aussen nach innen (Pfeil in Fig. 1A). Zu Einzelheiten der Kühlluftströmungen sei auf die eingangs genannten Druck schriften verwiesen.

Da die im Bereich der Warmluftkammern 15, 17 strömende Kühlluft bereits vor dem Durchströmen des Statorblechkörpers 18 bzw. der Statorwicklung 10 am Rotor Wärme aufgenommen hat, ist die Kühlung im Bereich der Warmluftkammern 15, 17 weniger effektiv, als die Kühlung durch die frisch herangeführte Kühlluft im Bereich der Kaltluftkammer 16. Dies wird auch an den axialen Temperaturverläu fen deutlich, die als Kurven a, . . ., e in der Teilfigur B über der Maschinenachse auf getragen sind. Die einzelnen Kurven bedeuten dabei:

Kurve a Kaltlufttemperatur (40°C)
Kurve b Lufttemperatur im Luftspalt zwischen Rotor und Stator
Kurve c Eisentemperatur im Joch (Mittelwert in Jochmitte)
Kurve d Eisentemperatur im Zahn (mittlerer Zahnbereich)
Kurve e Kupfertemperatur (Mittelwert über Ober- u. Unterstab der Statorwicklung).

Die (höckerartigen) Kurven c und d lassen den Einfluss der einzelnen Kühlschlitze 12 erkennen. Die Absenkung der Temperaturen in den Kurven b, . . ., e im Bereich der Kaltluftkammer 16 ist eine Folge der besonders effektiven Kühlung durch die frisch herangeführte Kühlluft in diesem Bereich. Deutlich wird auch, dass die Kur ven b, . . ., e zwischen Kaltluftkammer 16 und Maschinenmitte 14 steil ansteigen und in der Maschinenmitte 14 ein Maximum aufweisen, welches letztendlich die Be lastbarkeit der Maschine bestimmt. Die Aufteilung der halben Aktivlänge 1/2 AL auf die axialen Längen der einzelnen Kammern 15, 16 und 17 hat bei der Konfigura tion aus Fig. 1A die folgenden beispielhaften Werte:

Kammer 15 23,25% der Aktivlänge AL
Kammer 16 12,25% der Aktivlänge AL
Kammer 17 14,50% der Aktivlänge AL.

Die Schlitzbreite ist für alle Kühlschlitze 12 gleich. Der Abstand der Kühlschlitze 12 bzw. die Dicke der Teilblechpakete 11 ist über eine weite Strecke der Aktivlänge AL konstant und relativ gross und verringert sich erst in der Nähe der Maschinen mitte 14 (innerhalb der Warmluftkammer 17).

Gemäss der Erfindung - wie sie im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 veranschaulicht ist - wird nun die Aufteilung der Aktivlänge AL auf die axialen Längen der Kam mern 15, 16 und 17 verändert. Die Länge der ersten Warmluftkammer 15 wird er heblich vergrössert, so dass die Kaltluftkammer 16 näher zur Maschinenmitte 14 hin rückt. Gleichzeitig wird die Länge der zweiten Warmluftkammer 17 verringert, was den Abstand der Kaltluftkammer 16 zur Maschinenmitte 14 weiter verkleinert und zugleich die Länge der Kaltluftkammer 15 vergrössert. Die frische Kaltluft aus der Kaltluftkammer 15 ist dadurch wesentlich besser in der Lage, die Wärme aus der Maschinenmitte (dem Heisspunkt), die über die Statorwicklung 10 axial nach aussen in den Bereich der Kaltluftkammer 15 geleitet wird, wegzukühlen. Damit dieser Effekt wirksam wird, wird die axiale Länge der ersten Warmluftkammer 15 grösser als 25% der Aktivlänge AL (50% von 1/2 AL) gewählt und die axiale Länge der zweiten Warmluftkammer 17 zu kleiner gleich 7,5% der Aktivlänge AL (15% von 1/2 AL) bestimmt.

Im Beispiel der Fig. 2 betragen die ausgewählten Längenwerte der Kammern 15, . . ., 17:

Kammer 15 28,0% der Aktivlänge AL
Kammer 16 14,5% der Aktivlänge AL
Kammer 17 7,5% der Aktivlänge AL.

Gleichzeitig zu der Längenänderung bei den Kammern 15, . . ., 17 ist im Beispiel der Fig. 2 auch der Abstand der Kühlschlitze 12 gegenüber Fig. 1 verringert. Auswahl und axiale Variation der Schlitzabstände hängen dabei mit der Wahl der axialen Kammerlängen zusammen und müssen für den jeweiligen Einsatzfall zusammen mit diesen optimiert werden.

Wie man an den zugehörigen Kurven b, . . ., e der Temperaturverläufe aus Fig. 2B erkennt, ergeben sich durch diese Massnahmen verringerte Temperaturmaxima der Kurven b, . . ., e in der (kritischen) Maschinenmitte 14, wobei auf eine Verbreite rung der Kühlschlitze in diesem Bereich verzichtet werden kann. Auf diese Weise lassen sich Maschinen mit Leistungen von mehr als 90 MVA und bis zu 190 MVA mit nur 3 Kammern wirksam kühlen. Durch die Vermeidung von verbreiterten Schlitzen werden die Radialfeldverluste in der Statorwicklung minimiert. Durch die Verwendung einer konstanten Schlitzbreite können einheitliche Stegprofile in den Schlitzen eingesetzt werden, wodurch die Fertigungskosten gesenkt werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

10

Statorwicklung

11

Teilblechpaket

12

Kühlschlitz

13

Wickelkopf

14

Maschinenmitte

15

,

17

Warmluftkammer

16

Kaltluftkammer

18

Statorblechkörper
a, . . ., e Temperaturverlauf

Claims

1. Luftgekühlte elektrische Maschine, insbesondere Generator, umfassend einen Stator mit einer Statorwicklung (10) und einem Statorblechkörper (18), der aus einer Mehrzahl von in axialer Richtung hintereinander angeordneten und je weils durch radiale Kühlschlitze (12) voneinander getrennten Teilblechpaketen (11) zusammengesetzt ist, wobei zur Führung von Kühlluft durch die Kühlschlitze (12) der den Statorblechkörper (18) umgebende Aussenraum über die Aktivlänge (AL) des Stators in mehrere axial aufeinanderfolgende Kammern (15, . . ., 17) unter teilt ist, welche in einer Reihenfolge vom Wickelkopf (13) zur Maschinenmitte (14) jeweils eine erste Warmluftkammer (15), eine Kaltluftkammer (16) und eine zweite Warmluftkammer (17) umfassen (3-Kammer-Kühlung), wobei mittels der beiden Warmluftkammern (15, 17) durch die zugehörigen Kühlschlitze (12) radial nach aussen strömende erwärmte Kühlluft gesammelt und abgeführt wird, während mittels der Kaltluftkammer (16) kalte Kühlluft zugeführt wird, welche die zugehöri gen Kühlschlitze (12) radial nach innen durchströmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlschlitze (12) aller Kammern (15, . . ., 17) die gleiche Schlitzbreite auf weisen, dass die axiale Länge der ersten Warmluftkammer (15) mehr als 25% der Aktivlänge (AL) beträgt, und dass die axiale Länge der zweiten Warmluftkammer (17) kleiner gleich 7,5% der Aktivlänge ist.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Dicke der Teilblechpakete (11) bzw. der Abstand der Kühlschlitze (12) über die Aktivlänge (AL) variiert, insbesondere zur Maschinenmitte (14) hin abnimmt.

3. Maschine nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie für eine elektrische Leistung von mehr als 90 MVA ausgelegt ist.