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Beschreibung
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Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Großelektromaschinenbaus,
und zwar auf Anordnungen zur Abstützung von Wickelköpfen der Statorwicklung einer
großen elektrischen Maschine, insbesondere eines leistungsfähigen Turbogenerators.
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Die Wickelköpfe der Statorwicklung einer großen elektrischen Maschine
sind der Wirkung bedeutender elektromagnetischer Wechselkräfte und von Wärmeverformungen
ausgesetzt. Die Schwingungen der Wickelköpfe infolge der elektromagnetischen Wechselkräfte
führen zur Störung der Lötung in den Verbindungen, zum Verschleiß der Isolation
und zur ErmUdungsbesshXdigung der Kupferleiter. Zur Herabsetzung der Wirkung von
Schwingungen sind eine hohe Starrheit des Wickelkopfkorbes und eine gute Resonanzverstimflnmg
erforderlich. Das wird durch die Ausbildung einer starren Außenbefestigung des Wickelkopfkorbes
erreicht.
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Bin besonders sicheres und technologisch günstiges Element zur Wickelkopfabstützung
stellt ein konischer Ring aus Glashartgewebe oder Kunstharzpreßholz dar, der den
Wickelkopfkorb von der Außenseite umfaßt, ihn zu einem Ganzen verbindet und ihm
eine bedeutende Eigensteifigkeit verleiht.
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Die Abstützung der Wicklung am konischen Außenring kann durch das
Binden mit Binde schnur, Festkleben mit Epoxidharzen, Andrücken mit Hilfe eines
konischen Innenrings oder mit Stiftschrauben und Auflagen aus Isolierstoff erfolgen.
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Die Steifigkeit des mit dem konischen Außenring fest verbundenen
Wickelkopfkorbes ist jedoch in der Regel noch nicht ausreichend. Es ist auch eine
starre Verbindung mit der Preßplatte des Kerns erforderlich. Bei einer solchen Befestigung
wird gleichzeitig sowohl eine geringe Nachgiebigkeit des Wickelkopfkorbes als auch
eine sichere Resonanzverstimmung erreicht, da die durch die Steifigkeit des Rings
und der Preßplatte bestimmte niedrigste Eigenschwingungsfrequenz des gesamten Aufbaus
auf'einen wesentlich höheren Betrag als die auf die Wicklung einwirkende Frequenz
der elektromagnetischen Kräfte (100 bzw. 120 Hz) gebracht werden kann.
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Die starre Verbindung des Wickelkopfkorbes mit der Preßplatte verhindert
Jedoch die axiale Verschiebung der Wicklung
bei Wärmedehnungen.
Der Kern und die Wicklung dehnen sich wegen des verschiedenen linearen AusdehnunQskoeffizienten
des Kupfers und Stahls und wegen der unterschiedlichen Temperatur nicht gleichmäßig.
Das ist sowohl für normale Betriebszustände als auch besonders zur die Zustände
der Entlastung und der Lastaufnahme kennzeichnend. Bei einer starren Befestigung
der Wickelköpfe entstehen Axialspannungen im Nutenteil der Wicklung und bedeutende
Biegemomente am Austritt der Wicklung aus den Nuten. Deshalb ist es erforderlich,
daß bei einer starren Verbindung des Rings mit der Preßplatte in radialer Richtung
der ganze Wickelkopfkorb sich frei inbezung auf die Preßplatte in axialer Richtung
verschieben kann.
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Es ist ein Aufbau der Wickelkopfabstützung einer Statorwicklung bekannt
(DT-AS 2 362 406), bei dem die Wickelköpfte zwischen zvjei konischen Ringen eingespannt
sind, von denen der Äußere Ring mittels eines elastischen Elements mit dem Statorgehäuse
so verbunden ist, daß er bei Wärmeverformungen in bezug auf das Statorgehäuse verschiebbar
ist. Zu diesen Zweck wird ein zusätzlicher Abstützring eingeführt, der starr am
Statorgehäuse befestigt und koaxial zu~ Qe::i konischen äußeren Ring aneordnet ist,
während ein im Querschnitt trapezförmigen elastische Element zwischen dem konischenäußeren
Ring und dem zusätzlichen Abstützring untergebracht ist. Nachteilig bei diesen Aufbau
ist das Vorhandensein einer Verbindung der Wickelköpfe mit den Statorgehäuse,
da
der Unterschied in der Schwingungsfrequenz des Kerns und des Gehäuses zu einer zusätzlichen
Wechselbiegeverformung der Wickelköpfe führt und die Sicherheit der AbstUtzung herabsetzt.
Das elastische Element kann außerdem infolge seiner großen Masse, seiner Formgebung
und seiner Befestigung (Verformungsmöglichkeit über das ganze Volumen) sowohl in
axialer als auch in radialer Richtung nachgeben, d.h. es verleiht den Wickelköpfen
keine zusätzliche Steifigkeit, die den Schwingungen entgegenwirken würde, und schließt
das Auftreten einer Wickelkopfresonanz beim Betrieb der elektrischen Maschine nicht
aus.
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E8 ist ein Aufbau zur Wickelkopfabstützung einer Statorwicklung bekannt,
wo der äußere Ring mit Hilfe von elastischen Platten abgestützt ist, die nachgiebig
in axialer und starr in radialer Richtung sind (vgl. z.B. CH-PS 402 146).
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Dort ist eine Reihe der Platten mit der Preßplatte und die zweite
Plattenreihe mit dem Statorgehäuse verbunden. Der Nachteil dieses Aufbaus, wie auch
des oben erwähnten, besteht darin, daß die Wickelköpfe mit dem Statorgehäuse verbunden
sind. Außerdem fahrt der Einbau der elastischen Stahlplatten zu Zusatzverlusten
im Metall der Platten und zu einer verattrkten Erwärmung der Wickelköpfe.
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Es ist auch ein Aufbau zur Wickelkopfabstützung der Statorwicklung
bekannt, bei dem der die Wickelköpfe der Wicklung ur4*bendc konische Ring an seiner
zylindrischen Außenfläche
die starr mit der Preßplatte des Kerns
verbundenen Konsolen berührt und die in bezug auf die Preßplatte in axialer Richtung
verschiebbar ist (vgl. DT-PS 1 214 773). Flanchmal werden in der Preßplatte besondere
Führungen vorgesehen, über die der äußere Ring gleitet (vgl. z.B. FR-PS 1 366 320).
Der Nachteil dieser Aufbauten besteht darin, daß sogar bei einer genauen Bearbeitung
der in Berührung stehenden Flächen wegen der unterschiedlichen Wärmedehnungen zwischen
dem äußeren Ring und den Konsolen (bzw. den Führungen) der Preßplatte unvermeidlich
Spalte entstehen, und die starre Verbindung in radialer Richtung gestört wird. Das
führt zu einer Herabsetzung der Eigenschwingungsfrequenz des Wickelkopfkorbes, Schwingungsverstärkung
und Resonanzmöglichkeit. Das durch die Schwingungen verursachte Zusammenstoßen in
den Spalten beschleunigt den Zerstörungsvorgang in der Wicklung und in den Befestigungselementen.
Die manchmal zwischen dem äußeren Ring und der Preßplatte eingefügten, in axialer
Richtung abgefederten und zur Aufhebung der Spalte dienenden Keile ändern den Sachverhalt
nicht wesentlich, da bei einer relativen Wendung der Querschnitte des äußeren Rings
und der Preßplatte kein sicheres dichtes Anliegen über die ganze Keillänge gewährleistet
wird. Außerdem wird wegen des geringen Keilwinkels das ganze System selbsthemmend,
und die Reibungskräfte verhindern die axiale Verschiebung des äußeren Rings
mit
den Wickelköpfen in bezug auf die Preßplatte des Kerns.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Anordnung zur Wickelkopfabstützung
der Statorwicklung einer elektrischen Maschine so auszuführen, daß eine stabile
starre Verbindung der Wickelköpfe mit der Preßplatte des Kerns in radialer Richtung
mit einer axialen Verschiebbarkeit der Wickelköpfe in bezug auf die Preßplatte gewährleistet
wird.
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Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in der Anordnung zur
Wickelkopfbefestigung einer Wicklung des Stators einer elektrischen Maschine, an
dessen Kern-Stirnflächen freßplatten befestigt sind, welche Anordnung eine an der
Preßplatte angeordnete Konsole und einen konischen Ring aus Isolierstoff enthält,
an dessen konischer Innenfläche die Wickelköpfe der Wicklung befestigt sind, wobei
der Ring sich mit seiner zylindrischen Außenfläche auf der Konsole axial verschiebbar
in bezug auf die Preßplatte des Kerns abstützt, erfindungsgemäß die Konsole als
ein mit dem konischen Isolierring konzentrischer Ring ausgeführt ist, und zwischen
der Konsole und der zylindrischen Außenfläche des konischen Isolierrings über den
ganzen Umfang eine elastische Zwischenlage eingesetzt ist.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Aufbaus bestehen darin, daß infolge
der geringen Zusammendrückbarkeit der elastischen
Zwischenlage
eine starre Verbindung des konischen Rings mit der Preßplatte des Kerns in radialer
Richtung, d.h. eine hohe Starrheit der gesamten Wickelkopfabstützung und das Fehlen
von Resonanzen im Arbeitsbereich der Schwingungsfrequenzen gewährleistet wird. Bei
der starren Verbindung der Wickelköpfe der Wicklung mit der Preßplatte sind die
Schwingungen der Wickelk.öpfe und des Kerns gleich, wodurch größere BieXeverformungen
der Wickelköpfe vermieden werden. Der konische Ring mit den in ihm befestiOten Wickelköpfen
besitzt gleichzeitig infolge des niedrigen Elastizitätsmoduls des Zvr'schenlagenwerkstoffs
beim Schub die Löglichkeit sich inbezug auf die Preßplatte des kerns in axialer
Richtung zu verschieben.
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Dadurch werden Temperaturspannungen in der Wicklung bei ungleichmäßiger
Wärmedehnung des Kerns und der Wicklung verringert.
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Nach einem Ausführungsbeispiel der erfindung ist die Konsole in Forn
eines aus einzelnen Segmenten bestehenden Rings ausgeführt.
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Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht darin, daß
die Konsole in Form eines Ringvorsprungs der Preßplatte ausfgeführt wird.
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Es ist zweckmäßig, zum Andrücken der elastischen Zwischenlage in
radialer Richtung gegeneinandergerichtete., am Umfang zwischen der elastischen Zwischenlage
und der Konsole der Preßplatte angeordnete Keile aus unmagnetischem Werkstoff zu
verwenden.
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Zweckmäßig ist auch das axiale Andrücken der Keile mit Eilfe von
elastischen kraftschlüssigen Verbindungselementen, die mit der Konsole der Preßplatte
gekoppelt sind.
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Die elastische Zwischenlage kann aus mehreren Lagen eines dünnen
Platt engummis mit zwischengelegten Lagen aus einem steifen Material bestehen.
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Es ist auch möglich, die elastische Zwischenlage aus mit Schichten
eines steifen Materials verstärkten Gummiplatten auezuführen.
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Die elastische Zwischenlage kann auch aus Gummi, der in eine abbeschlossene
außenhülle aus undehnbarem Material eingeschlossen ist, ausgeführt werden.
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Es ist zweckmäßig, den konischen Isolierring in tangentialer Richtung
inbezug auf die Preßplatte des Kerns mit Hilfe von Paßfedern zu fixieren.
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Die elastische Zwischenlage kann an ihren beiden Stützflächen mit
dem konischen Isolierring und mit der Konsole mittels eines Klebers verbunden werden.
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Im weiteren wird die Erfindung anhand der Beschreibung von Beispielen
ihrer Ausführung und der beigelegten Zeichnungen erlautert.
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Es zeigt: Fig. 1 Anordnung zur Wickelkopfabstützung der Statorwicklung
einer elektrischen Maschine gemäß einem Ansführungsbeispiel der Erfindung, Längsschnitt,
Fig.2
Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1, Fig.3 Anordnung zur Wickelkopfabstützung
der Statorwicklung einer elektrischen Maschine gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung, Längsschnitt, Fig.4, 5 Verfahren zum radialen Andrücken der elastischen
Zwischenlage.
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Die Anrodnung gemaß der Erfindung: enthält einen konischen Ring 1
(Fig.1) aus Isolierstoff, der eine zylindrische Außenfläche 2 und eine konische
Innenfläche 3 aufweist. An der konischen Innenfläche 3 des Rings 1 sind mit hilfe
von in Zeichnung nicht gezeigten Stiftschrauben und Leisten 4 die Wickelköpfe 5
einer Wicklung 6 mit einem kalt härtenden Kitt 7- zwischen den Lagen befestigt.
Die Wicklung 6 ist in Nuten eines Kerns 8 eingebettet. Eine Preßplatte 9 ist an
der Stirnfläche des Kerns 8 befestigt. An der Preßplatte 9 ist van der Seite der
zylindrischen Außenfläche 2 des konischen Isolierrings 1 eine Konsole 10 angeordnet,
die die Form eines mit dem konischen Isolierring 1 konzentrischen Rings hat und
aus einzelnen Segmenten 11 besteht (Fig.2). Zwischen der zylindrischen Außenfläche
2 des konischen Rings 1 und der Konsole 10 ist über den genzen Umfang eine ganzteilige
oder aus Stücken bestehende elastische Zwischenlage 12, angeordnet, dio aus Gummi,
z.B. mit einer Stärke von 10-15 mm bestcht, eine hohe Starrheit beim Zusammendrücken
hat und nachgiebig
gegen Schub ist. In den gegeneinandergerichteten
Stirnflächen der Preßplatte 9 und des konischen Rings 1 sind Radialnuten 13 vorhanden,
in die Paßfedern 14 eingesetzt sind. Die radialen Paßfedern 14 verhindern das Drehen
des konischen Rings 1 mit den an ihm befestigten Wickelköpfen 5 in bezug auf die
Preßplatte 9 des Kerns 8 beim Betrieb der elektrischen Maschine.
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Gegen das drehen des konischen Isolierrings 1 in bezug auf die Preßplatte
9 können anstatt der radialen Paßfedern 14 in die in den anliegenden zylindrischen
Flächen des konischen Rings 1 und der Konsole 10 angeordneten Axialnuten (nicht
gezeigt) axiale Paßfedern (nicht gezeigt) eingesetzt werden.
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Es sind auch andere Mittel für die tangentiale Festlegung des Rings
1 in bezug auf die Preßplatte 9 möglich.
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In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, bei
dem die Konsole 10 durch einen Vorsprung der Preßplatte 9 ausgebildet ist.
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In Fig. 4 ist ein Mittel für ein vorläufiges radiales Abdrücken der
elastischen Zwischenlage 12 dargestellt. Zu diesem Zweck sind am Umfang der zylindrischen
Außenfläche 2 des konischen Isolierrings 1 zwischen der elastischen Zwischenlage
12, und der Konsole 10 der Preßplatte 9 gegeneinandergerichtete Keile 15, 16 angeordnet.
Die Keile 15, 16 dienen auch der Zentrierung des konischen Rings 1
inbezug
auf die Preßplatte 9 und gewährleisten außerdem die Zerlegbarkeit der Konstruktion,
die SöglichReit einer Auswechselung der Gummizwischenlage 12 und das Nachspannen
der Gummizwischenlage 12 nach Ablauf einer gewissen Betriebsdauer der elektrischen
Maschine.
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Die Fixierung der Keile 15 und 16 in bezug auf die Preßplatte 9 gesehieht
mittels kraftschltissiger elastischer Verbindungselemente 17 (Fig. 5) die durch
eine Schraube 18 und ein Raket Tellerfedern gebildet sind. Das. Außenende des Keils
15 hat einen Vorsprung 20 mit einer durchgehenden Offnung 21, in die eine mit ihrem
Kopf 22 gegen die- Stirnfläche des Keils 15 sich abstützende und in die Gewindeöffnung
23 in der Stirnfläche der Konsole 10 eingeschraubte Schraube 18 eingesetzt ist.
Unter dem Kopf 22 der Schraube 18 wird das Paket von Tellerfedern 19 angeordnet.
Die Schraube 18 und die Te'llerfedern 19, welche das ständige axiale Andrücken der
Keile 15, 16 bewirken, verhindern das Herausfallen der Keile 15, 16 beim Betrieb
der elektrischen maschine und gewährleisten desgleichen das ständige radiale Nachdrücken
der Gummizwischenlage 12.
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Es sind auch andere Maßnahmen zur Fixierung der Keile 15, 16, inbezug
auf die Preßplatte 9 möglich.
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Zwecks Erhöhung der Steifigkeit der elastischen Zwischenlage 12 beim
Zusammendrücken und bei der Verminderung des Kriechens von Gummi und also aucb zur
Erhöhung der Abstützungssteifigkeit der
Wickelköpfe 5 der Wicklung
6 in radialer Richtung bestehen z.B. folgende Ausführungsvarianten der elastischen
Zwischenlage 10: 1. Mehrlagige Gumnizwischenlagen, bestehend aus Gummi platten,
z.B. mit einer Stärke von 2-5 mm, und zwischen ihnen eingelegten Zwischenlagen aus
einem steifen Material, z.B.
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Stahl, Textolit usw.
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2. Zwischenlagen aus Plattengummi, armiert mit mehreren Schichten
eines steifen Materials, z.B. Kord.
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3. Gummizwischenlagen, eingeschlossen in eine abgeschlossene Außenhülle
aus einem undehnbaren Material, z.B.
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Kord.
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Die über eine hohe Steifigkeit beim Zusammendrücken verfügende Gummizwischenlage
12 gewährleistet eine starre Verbindung des konischen Rings 1 mit der Preßplatte
9 über die Konsole 10. Hier wird die Eigenschaft des Gummis sich ohne Volumeninderung
zu verformen (Poissonsche Querkontraktionszahl = 0,5 ) benutzt. Bei Verwendung einer
dünnen Zwischenlage 12 wird sich der Gummi wie in einem abgeschlossenen Volumen
befinden, es entsteht beinahe keine Druckverformung des Gummis nach dem Stirnseiten
und infolge seiner Nichtzusnmendrückbarkeit verformt er sich beim Zusammendni"cken
nur wenig.
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Gleichzeitig wird die hohe Nachgiebigkeit der Zwischenlage 12 beim
Schub beibehalten, was eine freie axiale Verschiebung der Wickelköpfe 5 der Wicklung
6 inbezug auf die Preßplatte 9
des Kerns 8 und niedrige Temperaturspannungen
der Wicklung 6 gewährleistet.
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Es ist erwünscht, beim Zusammenbau des Stators der elektrischen Maschine
die elastische Zwischenlage 12 anzudrücken, um das Entstehen von radialen Spalten
bei ungleichmäßiger Wärmedehnung der Befestigungselemente an den Wickelköpfen 5
auszuschließen, Außerdem füllt der Gummi während des Zusammenbaus beim Andrücken
der Zwischenlage 12 den ganzen Hohlraum zwischen dem konischen Ring 1 und der Konsole
10 der Preßplatte 9 aus und gewährleistet dadurch das dichte gegenseitige Anliegen
derselben über die ganze Stützfläche trotz eventueller Unebenheiten und Verkantungen.
Die Steifigkeit der Gummizwischenlage 12 beim Zusammendrücken ist um eine Größenordnung
höher als die radiale Steifigkeit des konischen Rings 1 und der Preßplatte 9 gegenüber
der Konsole 10. Der Kraftaufwand beim vorläufigen Andrücken der Zwischenlage 12
wird so gewählt, daß die gemeinsame elastische Druckverformung des konischen Rings
1 und die Zugverformung der Preßplatte 9 mit der Konsole 10 die maximalen möglichen
Verformungen infolge der ungleichmäßigen Wärmedehnung überschreitet. Dadurch wird
erreicht, daß der konische Ring 1 und die Preßplatte 9 bei sämtlichen Betriebszuständen
des Turbogenerators sich nicht voneinander trennen.
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Neben der oben erläuterten Variante des vorläufigen Andrückens der
elastischen Zwischenlage 12 mit Hilfe der Keile 15,
16 ist auch
das folgende Verfahren zum vorläufigen Andrücken der Zwischenlage 12 möglich: Der
konische Ring 1 wird mit eine tbergroßen Außendurchmesser gefertigt und dann gerneinam
mit der Zwischenlage 12 in die vorgewärmte Preßplatte 9 mit der Konsole 10 eingesetzt.
Nach dem Abkühlen der Preßplatte 9 entsteht zwischen der Konsole 10 und dem konischen
Ring 1 eine radiale Schrumfspannung, die die Guzarnizwischenlage 12 zusammendrückt.
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Bs ist auch eine Variante des Einbaus der elastischen Zwischenlage
12 ohne des vorläufigen Andruckens möglich, wenn die Gummizwischenlage 12 mit ihren
beiden Stützflächen an die Konsole 10 und den konischen Ring 1 angeklebt oder anvulkanisiert
wird.
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Der erfindungsgemäße Aufbau besitzt ; neben den angegebenen auch
andere Vorteile. Er ist einfach, fertigungsgerecht und. betriebssicher.