DE2122534A1

DE2122534A1 - Direkt gekühlter Laufer für elektrische Maschinen

Info

Publication number: DE2122534A1
Application number: DE19712122534
Authority: DE
Inventors: Tatsuo Hitachi Kishino (Japan) P
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1970-05-11
Filing date: 1971-05-06
Publication date: 1971-12-23
Also published as: CH525579A; GB1321558A; US3660702A; DE2122534B2; DE2122534C3; JPS4839881B1

Description

Patentanwälte Dlpl.-lng. P3. r:."ETZ sen.

^κ· !.AMP.'iECHT
Π. Tj S H T Z Jr.
8 München 22, Steinsdorfstr. 10

81-16.995P(l6.996h) 6.5.1971

HITACHI, LTD., Tokio (Japan)

Direkt-gekühlter Läufer für elektrische Maschinen

Die Erfindung betrifft Verbesserungen eines Kühlsystems für Läuferwicklungen, die in Wicklungsnuten eines Läufers, z. B. eines Turbogenerator-Läufers, angeordnet sind. Sie betrifft insbesondere Verbesserungen eines Kühlsystems für einen sogenannten direkt-gekühlten Läufer, in dem die die Wicklungen bildenden Leiter so gewickelt sind, daß sie Kanäle bilden, die von einem Kühlmittel unmittelbar durchflossen werden.

Im allgemeinen kann man, was elektrische Maschinen anbetrifft, sagen, daß die Leistungsfähigkeit jeder Maschine stets durch die höchste Temperatur begrenzt ist, die sie im Betriebe verträgt.

Dies bedeutet, daß man theoretisch eine kleine, aber hochleistungsfähige Maschine erreichen kann, wenn man sie aus genügend hitzebeständigen Werkstoffen baut. Es 1st

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aber - zumindest bisher - fast unmöglich, solche Werkstoffe zu schaffen,, die den Erfordernissen an Hitzebeständigkeit aller Teile genügen.

Der meist übliche Notbehelf ist bisher, die hitzeerzeugenden Teile der elektrischen Maschine zu kühlen, damit die Maschine nicht zu heiß wird. Das ist für viele Arten elektri- W scher Maschinen ständige Praxis geworden.

Dasselbe ist der Fall bei rotierenden elektrischen Maschinen wie z. B. Turbogeneratoren. Nur wenn der Anker, seine Wicklung und die Feldwicklungen angemessen gekühlt werden, kann die elektrische Maschine durch Zufuhr höheren Erregerstroms zum Läufer mehr Leistung erzeugen.

Die Haupt-Wärmequellen einer umlaufenden elektrischen Maschine sind ihre Ankerwicklungen und Feldwicklungen. Gewöhnlich lassen sich die Ständerwicklungen, die man nicht umlaufend ausbildet, ziemlich leicht mit Kühleinrichtungen versehen. Andererseits bilden die Läuferwicklungen, die mit dem Läufer umlaufen^ ein schwieriges Problem wegen der Fliehkräfte und der notwendigen mechanischen Festigkeit der die Kühleinrichtung bildenden Teile.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Kühlung der Läuferwicklungen.

Gewöhnlich werden die Läufer der Maschinen großer Leistung, ausgenommen bei einigen Sonder-Bauarten, durch Gas, z. B. Wasserstoff oder Luft, gekühlt.

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Und nicht wenige Kühlmittel sind bisher erfunden wordenj einige von ihnen sind noch heute üblich. Trotzdem ist es bisher noch schwierig, Kühlmittel für Läuferwicklungen zu 'bekommen, die hinsichtlich Herstellungsmöglichkeit, Preis und Kühlwirksamkeit voll befriedigen.

Von den bisher handelsüblich gewordenen Kühlmitteln hat nach herrschender Ansicht die Direktkühlung die größte Kühlwirksamkeit. Die Bezeichnung Direktkühlung kommt daher, daß die Wicklungsleiter mit Kühlschlitzen für Kühlung durch direkte Berührung mit einem Kühlgas versehen sind. Die Direktkühlung ist in mancherlei Form erreichbar.

Eine übliche Form weist Doppelreihen schräger Schlitze auf, die radial durch die Wicklungsleiter begrenzt sind und in jeder Reihe kreuzförmig wie eine 8 gestaltet sind, so daß das Kühlgas in sie durch einen Spalt zwischen Läufer und Ständer eintritt, sie in Form einer 8 durchströmt und dabei die Wicklungsleiter kühlt und danach durch einen von der Gaseinlaßseite entfernten Spalt eines Rahmens austritt. Dies ist als "Spalt-Eintritt"-System ("gap pick system") bekannt. Nach einem anderen bekannten System wird ein Kühlgas von beiden Enden des Läufers in Kühlnuten, die am Boden der Wicklungsschlitze vorgeformt sind, eingeführt; in den Wicklungsleitern sind Kanäle angeordnet, die radial verbunden sind, so daß die Luft, die die Wicklungsleiter gekühlt hat, in einen Luftspalt nahe der Längsmitte des Läuferkörpers ausgestoßen wird.

Jene erste Form ist in der Herstellung schwierig und erfordert Mittel, welche den Luftspalt an der Ständerseite für die Kühlung des Läufers unterteilen. Ferner muß, weil

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Kühlgas vom Umfang des Körpers her eintritt oder austritt, eine große Anzahl jener Einlasse oder Auslässe in solcher besonderen Form gestaltet werden, daß sehr großes technisches Geschick nötig und hohe Kosten unvermeidlich sind«,

Jene zweite Form ist ziemlich billig und leicht herstellbar, aber- der lange Läuferballen neigt dazu, einen Zug von hohem Kühlgasdruek in der Mitte des Ballens zu erzeugen,, Mit anderen Worten: Das Kühlgas wird in die Kühlkanal© im Mittelteil des Ballens hineingepreßt, und das macht es schwierig, gleichmäßige Kühlung des Läufers über seine ga,nze Länge hin zu erzielen,, Außerdem lassen sieh die über den Körper hinaus erstreckenden Wicklungsenden kaum direkt kühlen, da in den die Wicklung haltenden Hingen sich keine Kanäle für das Kühlmittel vorsehen lassen.

Die Erfindung liefert einen einfachsten und idealsten, direktgekühlten Läufer, der alle jene vorgenannten Schwierigkeiten vermeidet und folgende Aufgaben erfüllt:

Eine Erfindungsaufgabe besteht darin, einen Läufer zu liefern, dessen Wicklungen angemessenen Wärmeaustausch ermöglichen, der sich leicht herstellen läßt, der keine maschinelle oder sonstige Spezialgestaltung der Kanäle für die Wieklungsleiter erfordert·

Eine weitere Erfindungsaufgabe ist, einen Läufer zu liefern, in dem die von einer Anzahl Kühlkanäle der Wieklungsleiter erzielte Kühlwirkung höchst gleichmäßig ist \>nd die in den Wicklungsnuten angeordneten, sehr

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langen Wicklungen auf annähernd gleichmäßige Temperatur gekühlt werden können.

Eine noch weitere Aufgabe der Erfindung ist, einen Läufer zu liefern, dessen nahe den Läuferenden angeordnete Wicklungsenden gründlich gekühlt werden, ohne daß sie eine besondere Bearbeitung oder Gestaltung erfordert.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

a) jede Wicklungsnut an ihrem Grunde eine Lüftungsnut aufweist,

b) daß jede Wicklung mit einer Vielzahl radialer Kühlkanäle versehen ist, die über die Länge des Läuferballens hin in gewünschten Abständen verteilt sind,

c) daß die die Wicklungen in den Wicklungsnuten haltenden Keile mit Löchern versehen sind, welche mit den Kühlkanälen der Wicklungen fluchten,

d) daß die Kühlkanäle so verteilt sind, daß in jeder Wicklungsnut der in dem axial mittleren Teil des Läuferballens angeordnete Kühlkanal radial auswärts senkrecht zur Umfangsfläche, aber alle übrigen Kühlkanäle gegen den mittleren Kühlkanal geneigt sind und

e) daß die Kühlkanäle, die dem mittleren Kühlkanal benachbart sind, sich mit diesem in Porm eines Fischgrätenmusters schneiden.

Ein AusfUhrungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:

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Figo 1 einen erfindungsgemäßen, direkt gekühlten Läufer

In Längsansieht, teilweise im Längsschnitt;

Fig» 2 denselben Läufer in einem Teil-Querschnitt entlang der Linie A-A der Fig. 1;

Fig. 5 den mittleren Teil des Läuferballens desselben Läufers im Teil-Längsschnittj

™ Fig. 4 denselben mittleren Läufer-Teil, längsgeschnitten,

in perspektivischer Darstellung;

Fig. 5 einen Endteil desselben Läuferballens, teils in Ansicht, teils im Längsschnitt;

Fig. β den mittleren Teil eines abgeänderten Läuferballens im Teil-Längsschnitt;

Fig* 7 ©In Schema des Systems der Lüftungskanäle in

und nahe der Mitte dieses abgewandelten Läuferballens, im Längsschnitt;

Fig. 8 ein Diagramm der Verteilung der zugeführten Kühlluft-Menge über die Länge des Läuferballens.

Der in Fig. 1 gezeigte Läufer, der zum Beispiel für einen Turbogenerator bestimmt ist, besteht aus der Welle 1, der Wicklung 2, den Wicklungs-Halteringen J5 und den Keilen 4. Die Welle 1 läuft beidends in (nicht gezeichneten) Lagern. Auf dem mittleren Teil ihrer Länge trägt die Welle einen Läuferballen 5. Wie aus dem vergrößerten Teil-Querschnitt in Fig. 2 ersichtlich, ist eine Wicklungsnut axial durch den Läuferballen von dessen Umfangsfläche her eingefräst.

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Mehrere solcher Wicklungsnuten 6 sind in geeigneten Abständen entlang dem Umfang des Läuferballens angeordnet« Am Grunde 7 jeder Wicklungsnut 6 ist eine Lüftungsnut eingefräst j auch sie erstreckt sich axial.

Nahe dem offenen Ende der Wicklungsnut 6 ist eine Nut von größerer Breite eingefrästj sie enthält einen Teil 4.

In jede so geformte Wicklungsnut 6 ist eine Wicklung eingelegtj diese ist von einer Isolierung 10 umgeben und wird vom Keil 4 in der Wicklungsnut unbeweglich festgehalten.

Jede Wicklung 2 besteht aus einem Wicklungsleit&r 1, der so gewunden ist, daß, wenn im Querschnitt durch die Wicklungsnut gesehen, mehrere Wicklungsleiter 11 übereinandergeschichtet zu sein scheinen. Natürlich sind diese Leiterschichten voneinander isoliert; diese Isolierung ist nicht gezeichnet.

Durch die so übereinander geschichteten Leiter führen Lüftungskanäle 12 radial auswärts. Jeder Kanal 12 hat an seinem einen Ende - am Grunde der Nut, wie in Fig. 2 ersichtlich - Verbindung mit der LUftungsnut 8, die am Nutgrund 7 der Wicklungsnut 6 angeordnet ist, und an seinem anderen Ende mit dem Luftaustrittsloch IJ des Keiles 4,

Hier ist zu bemerken, daß der Kanal, der in Pig. 2 radial und senkrecht zur Umfangsfläche des Läuferballens gerichtet erscheint, in Wirklichkeit nur einen bestimmten Kanal, nämlich den in der Mitte der Länge des Läuferballens

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angeordneten Kanal darstellt und daß alle übrigen Kanäle nicht radial senkrecht verlaufen.

Nun sei die Form der Lüftungskanäle erläutert, und zwar anhand der in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellten Beispiele. Fig. 3 ist ein Längsschnitt eines Teiles eines Läuferballens 5, und Fig. 4 ist ein perspektivisches Bild des mittleren Teils des Läuferballens; in beiden Figuren sind eine Wicklung 2, eine Lüftungsnut 8 und Lüftungskanäle 12 gezeigt.

Wie ersichtlich, sind die Lüftungskanäle 12 in der Wicklung 2 so geformt, daß der mittlere, d.h. in der Mitte der Länge des Läuferballens 5 angeordnete Kanal 12a sich genau radial senkrecht zur Umfangsfläche des Läuferballens erstreckt, während die anderen Lüftungskanäle 12b etc. sämtlich wie Heringsgräten-Muster gegenüber dem Kanal 12a geneigt sind.

In der beschriebenen Anordnung kreuzen die Kanäle 12a und 12b einander in der Mitte des Ballens. Diese Kreuzungen spielen eine wichtige Rolle.

Diese Rolle wird später beschrieben werden. Zunächst sei der Fluß des Kühlgases, z.B. Wasserstoff oder Luft, erläutert.

In Fig. 3 ist der Fluß des Kühlgases duroh Pfeile angezeigt· Durch (nicht gezeichnete) Gebläse wird Gas in den Ballen oder in den Raum unterhalb der Wicklungsenden durch den zwlsohen der Welle 1 und dem Wioklungs-Haltering 3 (siehe Fig. 5) eingeblasen. Ein Teil des Kühl-

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gases wird durch an den Wicklungsenden gebildete Kanäle 12c zum Umfang des Läuferballens 5 abgeführt.

Der Rest des Kühlgases fließt in die Lüftungsnut 8 und von dort in die Kanäle 12b und 12a.

Das so geführte Gas kühlt die Wicklungsleiter 11 durch Wärmeaustausch. In der hier gegebenen Erläuterung ist unter« stellt worden, daß das Kühlgas in die Kühlkanäle nahe den Enden des Läuferballens eintrete und von dort anschließend in die benachbarten Kanäle bis zum mittleren Kanal ströme. Tatsächlich aber bildet das Gas eine Erscheinung, in der es mit zunehmendem Druck im mittleren Teil des Ballens konzentriert wird. Der Gasdruck fällt allmählich zu den Enden des Ballens ab, und das durch den mittleren Kanal und die Nachbarkanäle nicht ausgeworfene Gas entweicht durch die dem Ballenende nahen Kanäle.

Aus dem Dargelegten könnte es scheinen, als ob ein vergleichsweise großer Betrag an Kühlgas durch die dem mittelsten Kanal benachbarten Kanäle ströme und ein schon unzureichender Strom von Kühlgas zu den Ballenenden noch geringer werde und daher die Kühlung im ganzen Bereich der einzelnen Wicklungen ungleichmäßig werde· Jedoch wird nach dieser Erfindung, jede solohe ungleichmäßige Verteilung vermieden, weil die nahe dem mittleren Teil des Läuferballens befindlichen Kanäle der Wicklungen sich mit den Kanälen« die senkrecht zur radialen Richtung des Ballens angeordnet sind, kreuzen.

Diee wird noch besser verständlich aus der folgenden Beschreibung anhand der Flg· 7, die di&^wkiia^lser«. de-.^ Mittel-

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teil des Läuferballens zeigt. Es seien der mittlere Kanal mit 12a und die benachbarten, zum mittleren Kanal schrägen Kang.1© mit 12b_1# 12b_g, 12b,, 12b^ usw. - in mit der Entfernung zunehmender Ordnung - bezeichnet. Dann sucht in der Gegend der Nut 8, wo der Unterdruck am größten ist, das Kühlgas schnell durch den Kanal 12a zu fließen, um nach außen zu entweichen. Aber die benachbarten Kanäle 12b₁, 12bg und 12b,, die den Kanal 12a kreuzen und das Kühlgas in diesem mittleren Kanal führen, bieten genügenden Widerstand, den Strom im mittleren Kanal wie mit i Sinstellventil zu regeln.

Die Strömungsmengen in den Nachbarkanälen 12b₁, 12b_g und 12b, werden ebenfalls gesteuert. Die Saugdrücke in den Itatregionen 8b., 8b_g und 8b, sind nicht einander gleieh« Aber weil der Kanal 12b, zum Beispiel, der neben der Gegend 8b, der Lüftungsnut liegt, wo der Saugdruck niedriger als in der Gegend 8a ist, den Kanal 12a nahe dem Außenumfeag des Ballens kreuzt, ist sein Strömungswiderstand gering, und daher sind die Gasmengen, die durch die benaoli« barten Kanäle 12b. und 12b_g fließen, nur wenig verschieden. Hieraus wird ersichtlich sein, daß diese Kreuzungen nicht aufs Geratewohl, sondern aufgrund von Versuchen und Berechnungen sorgfältig ausgewählt werden sollten.

Obwohl hier nur ein Ausführungsbeispiel für die Anvon Kanälen in Wicklungen beschrieben worden ist_fl sich noeh mannigfache andere Anordnungen ersinnen,,

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ballens mehrere radiale senkrechte Kanäle 12a angeordnet. Diese kreuzen sich mit schrägen Kanälen, wobei sie - die senkrechten Kanäle - demselben Zweck, nämlich der Drosselung, dienen wie bei der vorher beschriebenen Ausführungsform.

Im Diagramm der Fig. 8 sind die Kühlwirkungen, die in einem üblichen Läufer mit nur radial gerichteten Kanälen fir^eieht werden, und diejenigen, die in einem erfindungsgemäßen Läufer erreicht werden, miteinander verglichen.

Das Diagramm zeigt die Kühlgas-Durohflußmengen über, gegebenen Funkten des Läuferballens·

Die volle Linie X gehört zu einem üblichen Läuferballen, Sie zeigt, daß die Durohflußmenge im mittleren Teil des Läuferballens stark zunimmt, aber an den Enden des Ballens und in den Gegenden zwischen den Enden und der Mitte des Ballens sehr niedrig ist.

Dagegen zeigt die der Erfindung entsprechende gestrichelte Linie Y eine - im Vergleich zur scharf unregelmäßigen Durchflußmenge im üblichen Läuferballen ziemlich gleichmäßig große Durohflußmenge im ganzen Bereich.

Wie oben im einzelnen beschrieben, ist der erfindungsgemäße direkt-gekühlte Läufer so gebaut, daß die Kühlkanäle der Wicklungsleiter im mittleren Teil der Länge des Laufer-.ballens aufrecht und zur Umfangsflache des Ballens senkrecht, aber die anderen Kanäle sämtlich schräg, nämlich zu

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den mittleren Kanälen hin geneigt sind, wobei einige dieser anderen Kanäle, die dem mittleren Kanal näher sind, diesen kreuzen. Deshalb lassen sich Kühlkanäle auch in den Wicklungsenden, die sich über die Ballenenden hinaus erstrecken, anordnen, und daher können die Wicklungsenden, die üblicherweise unter den Wicklungs-Halterungen gekühlt werden, nun in angemessener Weise durch eine höchst wirksame Direkt-Kühlelnrichtung gekühlt werden. Da die mittleren Kanäle sich mit den Nachbar« kanälen nahe dem Umfang des Balkens kreuzen, werden die Auslässe für das Kühlgas gedrosselt« und daher kann der Nachteil der herkömmlichen Bauart, bei der infolge hohen Soges das Kühlgas nur durch den mittleren Teil des Ballens fließt, vermieden, und zwar ohne Zuhilfenahme besonderer Mittel vermieden werden. So können die Wicklungen auf eine wesentlich gleichmäßigere Temperatur abgekühlt werden.

Obwohl hier nur gewisse Ausführungsformen der Erfindung beschrieben und gezeichnet sind, ist die Erfindung natürlich auch auf andere Ausführungsformen anwendbar, und es sind zahlreiche andere Abwandlungen möglich - sie alle fallen in den Rahmen dieser Erfindung.

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Claims

- 13 Pat entansprüche

1.jDirekt-gekühlter Läufer für rotierende elektrische iTaschinen, mit einer Läuferwelle und einem von dieser getragenen Läuferballen, der an seinem Umfang axiale Wicklungsnuten aufweist, in denen Wicklungen angeordnet und durch Keile gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß

a) jede Wicklungsnut (6) an ihrem Grunde eine Lüftungsnut (8) aufweist,

b) daß jede Wicklung (2) mit einer Vielzahl radialer KUhlkanäle (12, 12a, 12b usw.) versehen ist, die über die Länge des Läuferballens (5) hin in gewünschten Abständen verteilt sind,

c) daß die die Wicklungen (2) in den Wicklungsnuten (6) haltenden Keile (4) mit Löchern versehen sind, welche mit den Kühlkanälen (6) der Wicklungen (2) fluchten,

d) daß die Kühlkanäle (12, 12a usw.) so verteilt sind, daß in jeder Wicklungsnut (6) der in dem axial mittleren Teil des Läuferballens (5) angeordnete Kühlkanal (12a) radial auswärts eenkreoht zur Umfangsfläche, aber alle übrigen Kühlkanäle (12b, 12c, 12d usw.) gegen den mittleren Kühlkanal (12a) geneigt sind,

e) und daß die KUhlkanäle (12b, 12o usw.), die dem mittleren Kühlkanal (12a) benachbart sind, sioh mit diesem in Form eines Fischgrätenmusters sohneldecu

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2, Läufer nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet, daß eia@ Anzahl von Kühlkanälen (12a) in und nahe der axialen Mitte des Läuferballens (5) angeordnet sind, radial gerichtet sind, deren andere Kühlkanäle (12b, 12c, 12d usw.) so geformt sind, daß sie zu den radialen Kanälen (12a) geneigt siM und sich mit dem ihnen nahen oder nächsten rein radialen Kanal (12a) kreuzen.

5« Läufer naeh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanal© (12b, 12c usw.) der Wicklungen (6) gegen den mittleren Teil des Läuferballens (5) so geneigt sind, daS sie einander in oder nahe dem mittleren Teil des Läufer« ballens kreuzen.

4. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dl© Kühlkanäle (12b, 12c usw.) der Wicklungen (6) gegen die Mitte des Läuferballens (5) geneigt sind und daß die nahe den Enden des Läuferballens (5) befindlichen KUhlkanäle (12c, 12d usw.) sich durch die in den Wicklungs-Haifeerungen (3) befindlichen Wicklungsenden erstrecken,,

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