DE2303400A1

DE2303400A1 - DEVICE FOR THE ROTOR OF AN ELECTRIC MACHINE COOLED BY A GASEOUS MEDIUM

Info

Publication number: DE2303400A1
Application number: DE19732303400
Authority: DE
Inventors: Mihaly Wallenstein
Original assignee: Ganz Villamossagi Muevek
Current assignee: Ganz Villamossagi Muevek
Priority date: 1972-10-12
Filing date: 1973-01-24
Publication date: 1974-04-25

Description

VORRICHTUNG ZUM MOTOR DURCH EIN GESARTIGES MITTEL GEKÜHLTEN ELEKTRISCHEN MASCHINE Die das magnetische Feld von elektrischen Synchronmaschinen erzeugende, gleichstromgespeiste Wicklung wird besonders in Maschinen von hoher Umdrehungszahl oder hoher Leistung vielfach in den im massiven Eisenkörper des Rotors ausgearbeiteten Nuten untergebracht. Der Querschnitt einer solchen Nute ist in Fig. 1 dargestellt. In der Figur werden die im Eisenkörper 1 ausgearbeitete Nute mit den dieselbe ausfüllenden Wicklungswindungen 2, der Körperisolation 3 und der Windungsisolierung 4, der die Wicklung gegen die Zentrifugalkraft sichernden Keil 3 mit der unter dem Keil befindlichen Isolation 6 gezeigt In der herkömmlichen Anordnung laut Fig. 1 ströiat der auf Einwirkung o des in den Windungen fliegenden Stromes entstehende und sich in Wärme umwandelnde Joulescher-Verlust (I²-R) von der Wicklung über die als achlechter Wärmeleiter wirkende Körperisolation 3, durch die sog. Zähne zwischen den Nuten des Eisenkörpers, durch die zwischen den sich gegenseitig berührenden Wicklungs-Isolierzähnen befindlichen mit Luft oder Gas gefüllten Spalten, oft auf Kosten hohen Wärmegefälles in die Richtung der Rotorcherfläche. An dieser Stelle wird dann der in Wärme umwandelte Joulescher-Verlust an die Kühl luft oder an das Kühlgas abgegeben. Die Summe der im Wege der Wärmeabgabe entstehenden Wärmegefälle werden darm die Übererwärmung der Wicklung über die Temperatur der den Rotor umgebenden Kühlluft (oder des Kühlgases) bestimmen. Da die zugelassene Übererwärmung oder Übertemperatur aus mehreren Gründen eine begrenzte ist (z. B. infolge der Wärmefestigkeit der Isölierstoffe, der Wärmedehnung der Wicklung usw.), kann ein tor dieses Systems bloß mit einem mäßigen Strom belastet werden.DEVICE TO THE MOTOR BY A SOCIAL MEDIUM COOLED ELECTRIC MACHINE The magnetic field of synchronous electric machines, DC-fed winding is used especially in high-speed machines or high performance often in those worked out in the solid iron body of the rotor Grooves housed. The cross section of such a groove is shown in FIG. In the figure, the grooves worked out in the iron body 1 with those which fill the same Winding turns 2, the body insulation 3 and the winding insulation 4, the Winding against the Centrifugal force securing wedge 3 with the lower the wedge located insulation 6 shown In the conventional arrangement according to Fig. 1 ströiat is the result of the action of the current flowing in the windings and Joule's heat converting loss (I²-R) from the winding across the body insulation 3 acting as a poor heat conductor, through the so-called teeth between the grooves of the iron body, through the between the mutually touching Winding insulation teeth located with air or gas-filled gaps, often on Cost of high heat gradient in the direction of the rotor cutter surface. At this point is then the Joulescher loss converted into heat to the cooling air or to the Cooling gas released. The sum of the heat gradients resulting from the heat dissipation the overheating of the winding above the temperature of the one surrounding the rotor Determine the cooling air (or the cooling gas). Because the allowed overheating or overtemperature is limited for several reasons (e.g. due to the heat resistance of the insulating materials, thermal expansion of the winding, etc.), a gate of this system can only be achieved with a moderate current.

Ber Strom der Rotorwicklung, bzw, der dem quadrat des Stromes proportionelle Joulescher-Verlust kann in der an sich bekannten, in Fig. 2 dargestellten Anordnung bedeuten gesteigert werden. Hier ist unter der Rotornute. About the current of the rotor winding, or the one proportional to the square of the current Joulescher loss can in the known arrangement shown in FIG mean to be increased. Here is under the rotor slot.

noch eine kleine Nute 7, eine sog. Unterspalte (sub-slot) untergebracht. Diese Unternute dient zur Einführung der Kühlluft oder des Kühlgases von der Stirnseite des Rotors aus unter die Wicklung. Das Kühlmittel kommt während seiner auf Einwirkung der Umdrehung, entsprechend der Zentrifulkraft über die in der Wicklung gebildeten Kanäle 8 entstehenden radialen Auswärtsströmung in direkte Berührung mit dem zu kühlenden Leiter. Die Übertemperatur dieses Leiters über die Ortstemperatur des Kühlmittels wird. dadurch von einer einzigen Wärmestufe, nämlich vom, von der Intensität der Wärmeübergabe anhängigen Wärmegefälle der Oberfläche bestimmt.a small slot 7, a so-called sub-slot. This sub-groove is used to introduce the cooling air or the cooling gas from the front of the rotor from under the winding. The coolant comes on during its exposure of the revolution, corresponding to the centrifugal force generated in the winding Channels 8 resulting radial outward flow in direct contact with the to cooling head. The excess temperature of this conductor above the local temperature of the Coolant is. thereby from a single heat level, namely from, from intensity the heat transfer dependent heat gradient of the surface is determined.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich sind die radialen Lüftungskanäle auch notwendigerweise im Keil 5, in der Isolation 6 unter dem Keil und in der Isolierung 9 im Unterteil. der Nute ausgebildet. As can be seen from Fig. 2, the radial ventilation ducts are also necessarily in the wedge 5, in the insulation 6 under the wedge and in the insulation 9 in the lower part. the groove formed.

Wie veranschaulicht, sind die Isolierung 6 unter dem Keil und die Isolation 9 am Nutenboden bedeutend starker als die in der herkömmlichen Anordnung unter dem Keil laut Fig. 1 verwendete Isolation 6. Im unmittelbar leitenden Kühlungssystem laut Fig. 2 muß nämlich die Stärke der Isolationen 6 und 9 derart bestimmt werden, daß ihre oberflächliche elektrische Festigkeit (Kriechstrecke) dem Spannungspegel der Wicklung entspreche. As illustrated, the insulation 6 is under the wedge and the Insulation 9 on the groove bottom is significantly stronger than that in the conventional arrangement Insulation 6 used under the wedge according to FIG. 1 in the directly conductive cooling system According to Fig. 2, the thickness of the insulation 6 and 9 must be determined in such a way that that their superficial electrical strength (creepage distance) corresponds to the voltage level correspond to the winding.

Es ist gerade die Notwendigkeit der zwischen der Wicklung und dem Eisenkörper zweifach eingefügten, eine genügend lange Kriechstrecke sichernden Isolationen 6 und 9 einer der ßchönheitsfehler der bekannten Unterspalten-(sub-slot)-ßysteme. Diese Isolation nehmen nämlich die Stelle des wirksamen Leiters ein. It's just the need between the winding and that Insulations inserted twice in iron bodies, securing a sufficiently long creepage distance 6 and 9 one of the flaws of the known sub-slot systems. This insulation takes the place of the effective conductor.

Ein anderes Problem der Unterspalte besteht darin, daß im Falle eines besonders langen Rotors die in der spal te strömende Luft oder das gleichfalls strömende Gas vo1 Eisenkörper auch erwärmt wird, so daß in die radialen Kanäle der Wicklung, insbesondere im Mittelteil des Rotors, bereits ein vorgewarmtes Kühlmittel gelangt. Another problem with the sub-column is that in the case of a particularly long rotor, the air flowing in the gap or the flowing air Gas vo1 iron body is also heated, so that in the radial channels of the winding, in particular in the middle part of the rotor, a preheated coolant already arrives.

Ein Problem welches in solchen Rotoren mit Unterspalten noch eher gelöst werden soll, ist die Steigerung der durch den Rotor strömenden Gasmenge. Ein beträchtlicher Teil des statischen Druckes, welcher an der Eingangsstelle des Kühlmittels in die Unterspalte und an der Ausgangsstelle des Kühlmittels in den Bohrungen des Keiles von der Umlaufgeschwindigkeit, sowie der Dichte des Eiihlmittels bestimmt wird und von welchem dann die Menge des durchströmenden Gases bestimmt wird, wird nämlich vom an der Eintrittsstelle in die Unterspalte entstehenden Spannungsabfall verzehrt. In Fig. 5 ist das Vektordiagramm der Geschwindigkeiten an der Eintrittsstelle in die Unterspalte dargestellt. Das Gas einer Meridiangeschwindigkeit von Vm wird infolge der Drehbewegung, bei eine Umlaufgeschwin digkeit der Eintrittsstelle von Vk unter einem von Vm und V1 bestimmten Winkel mit einer relativen Geschwindigkeit von in den eintrittsquerschnitt des Kanals niedergeschlagen und gleichzeitig von einem größeren Raum in einen kleineren gezwungen. Laut Erfahrung beträgt der Eintritts-Spannungsabfall p = 6 . 9 v2 (wo # die Dichte des Mittels ist), d.h. etwa das sechsfache des dynamischen Druckes des in die Unterspalte gelangenden Mittels.One problem that should be solved in such rotors with undergaps is the increase in the amount of gas flowing through the rotor. A considerable part of the static pressure, which is determined at the point of entry of the coolant into the sub-gaps and at the point of exit of the coolant in the bores of the wedge by the speed of rotation and the density of the coolant and from which the amount of gas flowing through is determined, is consumed by the voltage drop that occurs at the point of entry into the sub-column. FIG. 5 shows the vector diagram of the speeds at the point of entry into the sub-column. The gas with a meridian velocity of Vm is due to the rotary movement, at a Umlaufgeschwin speed of the entry point of Vk at an angle determined by Vm and V1 with a relative velocity of precipitated in the inlet cross-section of the channel and at the same time forced from a larger room into a smaller one. Experience has shown that the entry voltage drop is p = 6. 9 v2 (where # is the density of the agent), ie about six times the dynamic pressure of the agent entering the sub-column.

Wesentlich wird dieser Spannungsabfall die Gasmenge des herkömmlichen Rotors des Unterspaltensystems und mittelbar auch die Belastbarkeit der Wicklung bestimmen.This voltage drop is essential to the amount of gas in the conventional Rotor of the sub-column system and indirectly also the load capacity of the winding determine.

Die. Erfindung dient zur Lösung der hier angeführten Probleme von Rotoren des Unterspaltsystems, und somit auch -zur beträchtlichen Steigerung der Belastbarkeit solcher Rotoren. The. Invention serves to solve the problems listed here by Rotors of the sub-splitting system, and thus also -for a considerable increase in Resilience of such rotors.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist in Fig. 4 veranschaulicht. Unter der im Eisenkörper ausgearbeiteten Wicklungsnute bleibt die für das System bisher kennzeichnende kleine Nute weg. Gleichzeitig wird aber am Boden der Nute innerhalb der Körperwicklung 3-ein Rohr 10 genügend großen Querschnitts untergebracht. Das Rohr kann aus einem elektrisch oder wärmeisolierenden Stoff, z*B aus einem Kunstharz, aber auch aus einem leitenden Stoff gefertigt werden. Im letzteren Fall kann das Rohr sogar als eine Windung der Wicklung verwendet werden. In dieser Weise gestaltet sich die sog. Unterspalte (sub-slot) als ein besonderer Bauteil statt der in den Eisenkörper eingearbeiteten kleinen Nuteu Wird der aus dem Eienkörper an~der Stirnfläche des Blockes herausragende Teil dieses Bauteiles, bzw. werden die eine Fortsetzung dieses Bauteiles bildenden Elemente an die relative Geschwindigkeit des Eühlmittels einbezug auf den Rotor angepaßt zweckmäßig in einer Trichterform ausgeführt, so entsteht ein zur Beitung des Kühlmittels ein Kanal geringen Strömungsverlustes. The arrangement according to the invention is illustrated in FIG. Under the winding slot worked out in the iron body remains the one for the system so far characteristic small groove away. At the same time, however, the groove is inside at the bottom the body winding 3-a tube 10 housed a sufficiently large cross-section. That Pipe can be made of an electrically or heat-insulating material, e.g. from a synthetic resin, but can also be made of a conductive material. In the latter case it can Tube can even be used as a turn of the winding. Designed in this way the so-called sub-slot is a special component instead of the one in the Small groove incorporated into the iron body becomes that of the egg body on the face of the block protruding part of this component, or will be a continuation of this component constituent elements to the relative speed the Eühlmittel including adapted to the rotor expediently in a funnel shape executed, a channel for generating the coolant results in a low flow loss.

Die Körperisolation 3 wird in einem jeden Falle, das den Kern der Erfindung bildende Rohr 10 jedoch bloß im Falle einer Fertigung aus einem Isolationsmaterial eine Wärmeisolation des Kühlmittels vom Eisenkörper bilden7 wodurch eine Vorwärmung des Kühlstoffes durch das Eisen verhindert wird. The body insulation 3 is in each case, which is the core of the However, tube 10 forming the invention only in the case of manufacture from an insulation material form a thermal insulation of the coolant from the iron body7 thereby preheating of the coolant is prevented by the iron.

Wird das Rohr 10 aus einem Leiter ausgeführt, wobei ein normaler, an die Wicklungsköpfe gelöteter Leiter eine Fortsetzung des eingangs erwähnten Leiters bilden kann, so wird zwischen dem Rohr 10 und der Windung oberhalb des Rohres bloß eine Windungsisolation benötigt. Im Falle einer mit Hilfe des Rohres 10 innerhalb der Körperisolation Unterspalte (sub-slot) kann eine der Bodenisolation 9 laut Fig. 2 entsprechende Isolation fortfallen. Ihre Stelle kann in diesem Falle für eine nützliche Windung verwendet werden. If the pipe 10 is made of a ladder, with a normal, a continuation of the conductor mentioned at the beginning can form, so is bare between the pipe 10 and the turn above the pipe winding insulation is required. In the case of using the tube 10 within the body insulation sub-slot (sub-slot) can be one of the floor insulation 9 according to Fig. 2 corresponding isolation are omitted. In this case, your position may be for a useful turn can be used.

Aus dem Nutenquerschnitt in Fig. 4 ist es ersichtlich, daß die zur Ausströmung des Kühlmittels, sowie zur unmittelbaren Kühlung der Leiter dienenden Kanäle 8 aus den entsprechenden Ausschnitten des Rohres 10 alBgehen und über die Windungen, die unter dem Keil befindliche Isolation und über den Keil zur Oberfläche des Rotors führen. From the groove cross-section in Fig. 4 it can be seen that the for Outflow of the coolant, as well as serving for the direct cooling of the conductor Channels 8 go from the corresponding sections of the tube 10 and over the Turns, the insulation under the wedge and over the wedge to the surface of the rotor.

Im allgemeinen kann festgestellt werden, daß die mit Hilfe des Rohres 10 Unterspalte (sub-slot) in Verbindung mit beliebigen, darunter auch bisher bekannten radialen Kanälen verwendet werden kann.In general it can be stated that the with the help of the pipe 10 sub-column (sub-slot) in connection with any, including previously known radial channels can be used.

Von den möglichen Verbindungen oder Kombinationen wird in Fig. 5 ein Fall dargestellt, wo die erfindungsgemäße "isolierte Unterspalte" (sub-slot) in der Wicklung zusammen mit eine große innere gühlungsfläche bildenden Kühlkanälen eine Anwendung findet. Die Nute kann vom Standpunkt der Festigkeit des Roto--blockes 1 aus gesehen mit einem ideal abgerundeten Boden ausgeführt werden. An vliesen Boden ist dann die Form der "Rohr-Unterspalte' (sub-slot) innerhalb der Körperisolation 3 angepaßt. Die radial geführten, in der Wicklung 2 ausgebildeten Lüftungskanäle 8a und 8b, an den beiden Seiten der Wicklung, stehen mit einander über die innerhalb der Windungen befindlichen transversalen Kanäle kleinen Querschnitts 8c in Verbindung. Der Kanal 8a ist an den entsprechenden Ausschnitt des Rohres 10 angeschlossen, während die im Keil befindliche Bohrung mit dem Kanal 8b verbunden ist. Da die Kanäle 8a und 8b unmittelbar neben der Körperisolation angelegt sind, ist durch ihre Dazwischenkunft auch die Wicklung vom Eisenkörper entsprechend.wärmeisoliert. In dieser Weise ist es den Kanälen 8c zu verdanken, daß eine äußerst intensive Kühlwirkung zur Geltung kommt, und zwar ohne daß die Wicklung in einem wesentlichen Ausmaß Wärme aus dem Eisenkörper aufnähme (oder an den Eisenkörper Wärme abgäbe). Mit der in Fig. 5 dargestellten Anordnung, zusammen mit wärmeisolierten Unterspalte (sub-slot) und wärmeisolierter Wicklung, kann der ungewöhnliche Zustand, daß die Wicklung kälter als der Eisenkörper ist, erreicht werden. Dieser Umstand ist ein äußerst gunstiger und wünschenswerter für den Rotor, da dadurch die Wärmedehnungsbewegung der stromdurchgegangenen Wicklung inbezug auf den Rotor-Eisenkörper auf ein Minimum verringert werden kann. The possible connections or combinations are shown in FIG. 5 a case is shown where the "isolated sub-column" according to the invention (sub-slot) in the winding together with cooling channels forming a large inner cooling surface finds an application. The groove can from the point of view of strength of the Roto - block 1 can be designed with an ideally rounded base. On the non-woven floor there is then the shape of the "tube sub-slot" within the Body insulation 3 adapted. The radially guided ones formed in the winding 2 Ventilation channels 8a and 8b, on the two sides of the winding, are with each other via the transverse channels of small cross-section located within the windings 8c in connection. The channel 8a is on the corresponding section of the pipe 10 connected, while the bore located in the wedge is connected to the channel 8b is. Since the channels 8a and 8b are placed directly next to the body insulation, the winding of the iron body is accordingly heat-insulated due to its intervening. In this way it is thanks to the channels 8c that an extremely intensive cooling effect comes into its own without causing any significant amount of heat to the winding absorb from the iron body (or give off heat to the iron body). With the in Fig. 5 shown arrangement, together with thermally insulated sub-slot (sub-slot) and heat-insulated winding, the unusual condition may be that the winding is colder than the iron body can be achieved. This circumstance is an extremely favorable one and more desirable for the rotor, as it reduces the thermal expansion motion of the current passed through it Winding in relation to the rotor iron body can be reduced to a minimum.

Claims

PATENT CLAIMS

1. Rotor of a high-performance and / or high-speed synchro-rotor, am most often a turbo generator, made of a solid iron body, with in this Elaborated to accommodate the winding that excites the magnetic field of the motor serving grooves, with a body insulation separating the winding from the iron body, with serving for direct cooling of the winding turns in the turns itself, in the wedges holding down the winding and in the inserted insulation trained ventilation ducts thereby g e k e n n n z e i n e t that for introduction the gaseous coolant in the grooves below the winding at the bottom of the grooves, but within the body insulation, one to the Porm of the grooves or the body insulation adapted tube is applied, which tube at the connection points of the radially directed Ventilation ducts are provided with cutouts and whose protruding from the iron body End, or the components connected to this end from a fluidic Point of view from expedient e.g. in a funnel shape as a cone, or the relative Gas velocity are designed to be directed accordingly.

2e A rotor according to claim 1, characterized in that it is not indicated That is housed at the bottom of the groove, However within the body insulation Tube is made from an insulating material.

3. A rotor according to claim 1, characterized g e k e n n -z e i c h n e t that the housed at the bottom of the groove, but within the body insulation Tube is made of a conductive material.

L e r s e i t e