DE2503428B2

DE2503428B2 - Wicklungsträger zur Aufnahme einer supraleitenden Erregerwicklung im Läufer eines Turbogenerators

Info

Publication number: DE2503428B2
Application number: DE2503428A
Authority: DE
Inventors: Erich 4330 Muelheim Weghaupt
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1975-01-28
Filing date: 1975-01-28
Publication date: 1978-04-27
Also published as: SE7505833L; JPS51100205A; GB1477104A; AT340524B; DE2503428C3; SE407879B; ATA354675A; DE2503428A1; US4060743A; FR2299754B1; SU650525A3; FR2299754A1; CH595006A5; SU587889A3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wicklungsträger zur Aufnahme einer supraleitenden Erregerwicklung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Wicklungsträger wird in der älteren deutschen Patentanmeldung P 23 39 772.0-32 vorge schlagen. Der in dieser älteren Patentanmeldung beschriebene Läufer besteht aus mehreren ineinandergeschobenen Zylindern, die über axial versetzte Anlenkpunkte kraftschlüssig, jedoch radial federelastisch miteinander verbunden sind· Hierbei nimmt der innenliegende Zylinder die supraleitende Erregerwick- ·■> lung auf. Bei einer derartigen Ausbildung des Läufers spielt die Laufstabilität des innenliegenden Wicklungsträgers eine wesentliche Rolle, da Schwingungen und ungleichmäßige Auslenkungen dieses Wicklungsträgers zu einer Aufschaukelung und Zerstörung des ganzen

κι Systems führen können.

Aus der DE-OS 20 28 158 ist eine rotierende elektrische Maschine mit supraleitender Wicklung bekannt, deren Läufer einen Tragzylinder für die Läuferwicklung umfaßt Die Abstützung der aus supraleitendem Material bestehenden Läuferwicklung erfolgt hierbei auf der Innenseite des Tragzylinders. Bei einem zweipoligen Läufer ist die Wicklung in zwei diametral einander gegenüberliegenden Spulen angeordnet, deren Leiter zur Erzielung einer sinusförmigen Stromverteilung so verteilt sind, daß die radiale Tiefe der Spulen rund um den Umfang des Tragzylinders variiert. Die hierdurch erzeugte Unwucht soll bei der bekannten Anordnung durch eine blinde Wicklung oder Füllung ausgeglichen werden. Durch die veränder-

>5 liehe radiale Tiefe der Spulen ergeben sich jedoch in zueinander verdrehten Schnittebenen des Läufers unterschiedliche Trägheitsmomente, die trotz des Ausgleichs der Unwucht zu Schwingungen führen. Diese durch Trägheitsmomentunterschiede hervorgerufenen Schwingungen sind bei zweipoligen Läufern besonders kritisch.

Bei einem aus der DE-OS 24 07 704 bekannten Wicklungsträger zur Aufnahme einer supraleitenden Erregerwicklung sind die Leiter in am Außenumfang

J5 eines Tragzylinders eingebrachten Nuten angeordnet. Die Festlegung der Erregerwicklung im Tragzylinder kann durch Nutkeile, metallische Bandagen oder auch durch Tränkung mit einem wärmehärtbaren Harz erreicht weraen. Ein Hinweis, wie Unwuchten des Läufers ausgeglichen und Schwingungen verhindert werden können, ist dieser Druckschrift jedoch nicht zu entnehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wicklungsträger zur Aufnahme einer supraleitenden Erregerwicklung im zweipoligen Läufer eines Turbogenerators zu schaffen, dessen Laufstabilität durch Unwuchten und Trägheitsmomentunterschiede nicht beeinträchtigt wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe: sind erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale vorgesehen.

Durch diese Ausbildung des Wicklungsträgers werden einerseits Unwuchten durch Nutfüllungen gleichen Gewichtes ausgeglichen und andererseits durch die gleichmäßige Teilung der querschnittsgleichen Nuten Trägheitsmomentunterschiede vermieden. Der auf den Tragzylinder aufgeschrumpfte Stützzylinder leistet ebenfalls einen wesentlichen Beitrag zur Stabilisierung des Wicklungsträgers, da er die von der Wicklung ausgehenden Fliehkräfte und zusammen mit den Nutzähnen auch die im Betrieb wirkenden Tangentialkräfte aufnimmt. Außerdem bildet der Stützzylinder einen flüssigkeitsdichten Abschluß der Nuträume nach außen. Dieser flüssigkeitsdichte Abschluß könnte durch

^h? die Nutkeile allein nicht erreicht werden.

Die Nutfüllung kann zum Teil aus Supraleitern und zum Teil aus Kupferfülleitern bestehen, wobei der Anteil an Supraleitern zur neutralen Zone hin zunimmt.

Durch diese Ausbildung wird ein besonders günstiger rotationssymmetrischer Fliehkraftbeiag erzielt.

Um möglichst wenig Lötstellen in der in die konisch zulaufenden Nuten eingebetteten Wicklung zu erhalten, ist es ferner zweckmäßig, daß die Wicklungsspule einer Nut aus mehreren, jeweils mehrere Windungen umfassenden Teilspulen besteht und daß die Leiter einer Teilspule gleiche, jedoch von Teilspule zu Teilspule sich ändernde Profilform gleicher QuerschnittsRäche aufweisen. IU

Zur direkten Kühlung der Wicklungsleiter ist es ferner zweckmäßig, wenn zwischen den Nutleitern und den Nutseitenwänden Isolierplatten angeordnet sind, die auf den den Leitern zugewandten Flächen zu den Leitern offene Kühlnuten aufweisen.

Zur Festlegung der Wicklung sind die Nuten zweckmäßigerweise durch Nutkeile verschlossen, die mit den Nutzähnen ein über den Umfang kraftschlüssiges Gewölbe bilden.

Zur Herstellung eines festen Leiterverbandes kann die in den Tragzylinder eingelegte und mit den Nutkeilen gesicherte Wicklung mit Harz vakuumgetränkt und warm ausgehärtet werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn beim Wickeln und Tränken der Wicklung an Stelle der mit Kühlkanälen versehenen Isolierplatten glatte Stahlplatten gleicher Abmessung in die Nuten eingesetzt sind, deren Oberflächen mit harzabstoßenden Mitteln imprägniert sind. Dadurch wird während des Tränkvorganges eine Verstopfung der offenen Kühlnuten vermieden.

Anhand einer schematischen Zeichnung ist der Aufbau eines Ausführungsbeispiels nach der Erfindung näher erläutert Dabei zeigen

F i g. 1 einen Längsschnitt durch den Läufer eines Turbogenerators, κ

F i g. 2 einen Querschnitt durch einen Sektor des die Wicklung aufnehmenden Tragzylinders,

F i g. 3 eine fertig bewickelte und getränkte Nut im Querschnitt und

F i g. 4 eine bewickelte Nut vor der Tränkung.

Nach F i g. 1 ist der äußere, als Hohlzylinder ausgebildete Läuferkörper 1 am turbinenseitigen Ende 2 geschlossen und am erregerseitigen Ende 3 über eine nicht näher dargestellte Kupplung mit der Erregerwelle vakuumdicht verflanscht. Der Innenraum 4 des Läuferkörpers 1 ist evakuiert. In dem Innenraum 4 befinden sich von außen nach innen drei konzentrisch zueinander angeordnete Stahlzylinder S, 6 und 7 mit der dazwischen angeordneten Dämpferwicklung 8. Diese drei Stahlzylinder 5, 6 und 7 mit der Dämpferwicklung 8 sind über Anlenkpunkte 9 und 10 hohen Wärmewiderstandes mit dem äußeren Läuferkörper 1 verbunden. Die eigentliche Wicklung 12 — wie insbesondere aus F i g. 2 zu ersehen ist — ist in Nuten am Außenumfang eines Wicklungstragzylinders 13 eingebettet, über den ein Stützzylinder 14 aufgeschrumpft ist. Die beiden Zylinder 13 und 14 sind an ihren Stirnseiten über Deckel 15 kraftschlüssig miteinander verbunden und mit Kappen 60 verschlossen, so daß sich ein geschlossener und vom evakuierten Innenraum 4 getrennter Wicklungsraum ergibt. t>o

Diese die Wicklung haltenden Zylinder 13 und 14 sind über einen Federzylinder 16 und entsprechende Anlenkpunkte 17 und 18 mit den drei Zylindern 5,6 und 7 verbunden. Der aus den Zylindern 5,6 und 7 und der Dämpferwicklung 8 bestehende Dämpfer erfüllt gleich- t> > zeitig die Funktion eines Kälteschirmes. Alle Spalte zwischen den einzelnen Zylindern sind evakuiert.

Die Dämpferwicklung 8 ist über Kühlkanäle 19

gekühlt, die von einem über konzentrische Kanäle 20 und 21 und über Verbindungsschläuche 22 zugeführten Kühlmittel durchströmt werden.

Wie aus F i g. 2 zu ersehen ist, weist der Tragzylinder 13 eine gleichmäßig am Umfang verlaufende Nutteilung auf. Sämtliche Nuten 30 haben dabei gleiche Abmessungen und eine Nutfüllung gleichen Gewichtes. Entsprechend dem geforderten magnetischen Flußverlauf sind jedoch nicht alle Nuten voll mit Supraleitern gefüllt, sondern die Zahl der Supraleiter 31 nimmt nach rechts zur neutralen Zone hin zu. Die nicht mit Supraleitern 31 ausgefüllten Nuträume werden mit gewöhnlichen Kupferleitern 32 als Fülleiter ausgefüllt. Damit wird ein völlig rotationssymmetrischer Fliehkraftbelag erzielt, der eine elliptische Verformung des Wicklungsträgers im Betrieb ausschließt. Die eigentliche Halterung der Wicklungen in den Nuten 30 erfolgt durch einen Stützzylinder 14, der auf den Tragzylinder 13 und die geschlossenen Nuten 30 aufgeschrumpft wird.

Das genaue Nutbild einer gefüllten Nut zeigt F i g. 3. Zur besseren elektrischen Ausnützung ist die Nut 30 konisch ausgeführt. Sämtliche Leiter 31 weisen dabei etwa gleiche Querschnittsfläche auf. Die Teilleiterabmessungen sind dabei so weit wie möglich vereinheitlicht. Infolge der Nutkonizität müssen jedoch unterschiedliche Teilleiterprofile gewählt werden, um eine gute Füllung der Nut zu erhalten. Um jedoch möglichst wenig Lötstellen zu erhalten und möglichst viele Leiter fortlaufend in die Nut einwickeln zu können, sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel vier Teilspulen mit unterschiedlichem Profil gewählt. Die obersten drei Teilleiterschichten bilden dabei die Teilspule Si und die jeweils radial nach innen folgenden Schichten die Teilspulen Sj bis S* mit jeweils einheitlichem Profil der Teiileiter. Aufgrund der Profilgleichheit über eine bestimmte Nuthöhe ergeben sich zwischen den zwei Teilleiterreihen schwertförmige Zwischenräume 33 bis 36, die mit einer Isolation 37 ausgefüllt werden. Bei der dargestellten Profilunterteilung sind damit für eine Nut nur wenige Lötstellen innerhalb einer Spule an den Übergangsstellen der Teilspulen erforderlich. Die dargestellte Nut ist jedoch nicht ganz mit Supraleitern 31 gefüllt, sondern am Nutgrund sind vier Kupferfülleiter 32 entsprechend der Darstellung nach Fig.2 eingelegt.

Die Kühlung der Wicklung erfolgt an den Seitenflächen der Leiter. Dazu sind zwischen den Leitern 31 und den Nutwänden 30 Isolierplatten 40 eingeschoben, die auf den den Supraleitern 31 zugewandten Flächen zu den Leitern offene Kühlnuten 41 aufweisen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die KUhlnuten axial verlaufend ausgebildet; es ist aber auch eine radiale oder in beliebig anderer Richtung verlaufende Führung denkbar. Durch diese Kühlnuten 41 wird das flüssige Helium geleitet, so daß die Leiter direkt gekühlt werden. Eine Kühlung im Bereich der Kupferfülleiter ist jedoch nicht erforderlich, so daß in diesem Bereich die Isolierplatten 40 keine Kühlnuten aufweisen.

Wie bereits ausgeführt wurde, muß die Wicklung in den Nuten völlig spielfrei und stramm eingepaßt sein. Bei Nichterfüllung dieser Bedingung könnte es zur Beschädigung und im ungünstigsten Fall sogar zum AusMl der Supraleiter kommen. Um diese Forderungen zu erfüllen, sind die folgenden konstruktiven und fertigungstechnischen Maßnahmen vorgenommen, die anhand der Bewicklung und Tränkung einer Nut erläutert werden sollen.

Wie dazu aus Fig.4 zu ersehen ist, werden zum

Wickeln in die Nuten zunächst anstatt der mit Kühlkanälen versehenen Isolierplatten 40 Stahlplatten 42 gleicher Abmessungen, jedoch ohne Kühlkanäle eingelegt. Diese Stahlplatten 42 erhalten eine Oberflächenbehandlung in Form eines Schutzbelages, die das Haften und Festkleben von Harzen bei der Wicklungstränkung verhindern. Die Kupferfülleiter 32 und die Teilleiter 31 werden einzeln von unten nach oben in die Nut 30 eingewickelt und verlötet. Nach dem Fertigwikkeln werden die Nuten 30 noch nach Bedarf mit Füllstreifen ausgefüllt und mit dünnen Nutkeilen 43 aus Stahl stramm verkeilt. Diese Keile 43 haben keine tragende Funktion, sondern dienen vorwiegend zum Festhalten der Wicklung nach dem Einbau. Die eigentliche Abstützung der Wicklung erfolgt im Betrieb durch den Stützzylinder 14 nach F i g. 2.

Der fertig gewickelte und verkeilte Tragzylinder 13 wird nunmehr in einer Vakuumtränkanlage unter Luftausschluß mit Epoxidharz imprägniert und warm ausgehärtet. Dadurch entsteht ein fester und in sich verbackener Spulenverband. Darüber hinaus werden sämtliche nach dem Wickeln noch vorhandenen Spalte vollständig mit Harz ausgefüllt. Damit wird völlige Spielfreiheit der Teilleiter gegeneinander sowie auch der kompletten Spule in der Nut erreicht.

In diesen Tränk- und Härtungsprozeß können auch die Spulenwickelköpfe einbezogen werden, deren Hohlräume ebenfalls vorher mit Formstücken ausgefüllt werden.

Nach dem Imprägnier- und Aushärtvorgang werden die Nutkeile 43 wieder entfernt. Im Anschluß daran werden die Stahlplatten 42 gezogen und die mit der Kühlnuten 41 versehenen Isolierplatten 40, die beispielsweise aus einem Glasseidenharzgewebe besteher können, zügig und spielfrei eingepaßt. Danach werder

'> die Nutkeile 43 wieder stramm eingetrieben. Nach derr Verschließen der Nuten wird dann der Tragzylinder 13 gemeinsam mit den Nutkeilen 43 auf Paßmaß überdrehi und der bereits erwähnte Stützzylinder 14 aufgeschrumpft.

to Mit dem beschriebenen Wicklungsträger, der aus derr Tragzylinder 13 und dem Stützzylinder 14 besteht lassen sich somit die Nutzähne 44 relativ dünr ausführen, so daß ein großes Nutvolumen möglich ist Diese Konstruktion gewährleistet, daß die im Betriet und beim Schleudern auftretenden hohen Spulenfliehkräfte vorwiegend von dem glatten, festigkeitsmäßig vorteilhaft ausgebildeten Stützzylinder 14 aufgenom men werden, während die Nutzähne 44 und die schmalen Keile 43 nur eine geringe Beanspruchung erfahren.

Außer den Radialkräften entstehen jedoch auch ir jeder Nut nicht unerhebliche tangentiale Stromkräfte die die Zähne 44 des Tragzylinders 13 auf Biegung beanspruchen. Die Nutzähne 44 dürfen sich andererseit!

2") keinesfalls an der Nachbarspule abstützen und auf dif Supraleiter drücken. Daher haben die aus Stah bestehenden Nutkeile 43 die zusätzliche Aufgabe, für die Zähne 44 radial außen ein Widerlager zu bilden. Un diese Aufgabe zu erfüllen, sind diese Keile derar

in einzupassen, daß die Nutzähne 44 und die Keile 43 übei den Umfang ein kraftschlüssiges Gewölbe bilden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wicklungsträger zur Aufnahme einer supraleitenden Erregerwicklung im zweipoligen Läufer eines Turbogenerators, wobei der zylindrische Wicklungsträger kraftschlüssig, jedoch radial federelastisch über axial versetzte Anlenkpunkte an zwischengeschalteten Dämpfer- und Abschirmzylindern mit einem außenliegenden, hohlzylindrischen Läuferkörper verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wicklungsträger aus einem innenliegenden Tragzylinder (13) mit in gleichmäßiger Teilung am Außenumfang eingeschnittenen Nuten (30) jeweils gleichen Querschnittes zur Aufnahme einer Nutfüllung jeweils gleichen Gewichtes aus Supraleitern (31) und/oder Kupferfülleitern (32) und einem auf den Tragzylinder (13) und die mit Keilen (43) verschlossenen Nuten (30) aufgeschrumpften Stützzylinder (14) gleicher Länge besteht.

2. Wicklungsträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutfüllung zum Teil aus Supraleitern (31) und zum Teil aus Kupferfülleitern (32) besteht

3. Wicklungsträger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Supraleitern (31) zur neutralen Zone hin zunimmt.

4. Wicklungsträger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsspule einer Nut (30) aus mehreren Teilspulen

(S\ S₁) besteht und daß die Leiter (31) einer

Teilspule (S\ Si) gleiche, jedoch von Teilspule zu

Teilspule sich ändernde Profilform gleicher Querschnittsfläche aufweisen.

5. Wicklungsträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Supraleitern (31) und den Nutseitenwänden (30) Isolierplatten (40) angeordnet sind, die auf den den Leitern zugewandten Flächen zu den Leitern offene Kühlnuten (41) aufweisen.

6. Wicklungsträger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (30) durch Nutkeile (43) verschlossen sind, die mit den Nutzähnen (44) ein über den Umfang kraftschlüssiges Gewölbe bilden.

7. Wicklungsträger nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Tragzylinder (13) eingelegte und mit Nutkeilen (43) gesicherte Wicklung mit Harz vakuumgetränkt und warm ausgehärtet ist.

8. Wicklungsträger nach Anspruch 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß beim Wickeln und Tränken der Wicklung an Stelle der mit Kühlkanälen (41) versehenen Isolierplatten (40) glatte Stahlplatten (42) gleicher Abmessungen in die Nuten (30) eingesetzt sind, deren Oberflächen mit harzabstoßenden Mitteln imprägniert sind.