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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft elektrische Maschinen, und zwar Anordnungen
zur Befestigung von Wickelkopfteilen der Statorwicklung einer elektrischen Maschine.
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Besonders vorteilhaft kann die Erfindung bei Hoch- und Grenzleistungsturbogeneratoren
verwendet werden, deren elektrische Statorwicklungen während des Betriebs der Maschine
bedeu-tenden elektrodynamischen Beanspruchungen und Wärmeeinwislrungen ausgesetzt
sind.
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Es ist eine Anordnung zur Befestigung von Wickelkopfteilen der Statorwicklung
einer elektrischen Maschine bekannt (s.
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z.B. CH-PS 413 073), die einen aus elektrisch isolierendem Werkstoff
hergestellten Innenring, der koaxial der Statorkernbohrung angeordnet ist und die
Wickelkopfteile der Statorwicklung abstützt, und einen die Wickelkopfteile der Wicklung
von der Außenseite umfassenden Außenring enthält.
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In dieser Anordnung sind die Innen- und Außenabstützringe durch die
Wickelkopfteile der Wicklung und die Elemente zu deren Befestigung an den Wickelkopfteilen
miteinander verbunden. Dabei weist der Außenring eine Verstellungsmöglichkeit in
bezug auf den Statorkern in Axialrichtung auf und ist mit dem Statorgehäuse in Radialrichtung
fest verbunden.
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Ein Nachteil eines solchen Aufbaus der Anordnung zur Befestigung von
Wickelkopfteilen der Statorwicklung einer elektrischen Maschine ist eine relativ
große Anzahl von Befestigungselementen mit komplizierter Form, die eine große Genauigkeit
bei ihrer Fertigung erfordert und die Montage der Statorwicklung kompliziert.
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Ein anderer Nachteil dieser Bauart der Befestigung ist die mangelhafte
Dämpfung von Schwingungen der Wickelkopfteile, die unter Einwirkung der elektrodynamischen
Wechselbeanspruchungen während des Betriebs der elektrischen Maschine entstehen
und die zu einer Lötung in den Verbindungen der Wicklungsstäbe, dem Verschleiß und
der Verquetschung der Isolation an den Befestigungsstellen und am Austritt der Stäbe
aus den Nuten des Kerns sowie zu Ermüdungsbeschädigungen der kupfernen Teilleiter
in den Wicklungsstäben führen können. Die Ursachen hierfür sind: die Innen- und
Außenabstützringe sind in einem großen Abstand von den Bügeln der Wickelkopfteile
der Wicklung angeordnet, an deren Stellen die Wickelkopfteile während des Betriebs
der elektrischen Maschinen in der Regel den maximalen Schwingungspegel aufweisen.
Zweitens hat der Innenring eine geringe Querschnittsfläche im Vergleich mit der
Querschnittsfläche der Wickelkopfteile und kann infolgedessen die Gesamtsteifigkeit
des ganzen Befestigungssystems der Wickelkopfteile der Wicklung nicht steigern.
Es ist jedoch bekannt, daß eine große Steifigkeit des Befestigungssystems wichtig
zur Herabsetzung des Schwingungspegels der Wickelkopfteile ist. Drittens führen
mehrere Zwischenteile in der Befestigung des Innen- und Außenrings an den Stäben
der Wickelkopfteile der Wicklung und eine Herabsetzung der Verbindungssteifigkeit
dieser Ringe mit den Wickelkopfteilen zu einer Erhöhung des Schwingungspegels der
Wickelkopfteile der Wicklung.
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Ein weiterer Nachteil der bekannten Bauart der Befestigung der Wickelkopfteile
ist, daß der Außenring einerseits in der Radialrichtung über die Befestigungselemente
mit dem Statorgehäuse fest verbunden ist und andererseits mit der Statorwicklung
steif verbunden wird. Infolgedessen werden während des Betriebs der elektrischen
Maschine Schwingungen der Wikkelkopfteile durch Schwingungen des Statorgehäuses
überlagert werden, wodurch zusätzliche Wechselbiegeverformungen der Wicklungsstäbe
in der Übergangs zone dieser Stäbe aus dem
Nuten-teil der Wicklung
in den Wickelkopfteil hervorgerufen werden können, was sich in ungünstiger Weise
auf die Festigkeit der Stäbe auswirkt und die Befestigungssicherheit der Wicke lkopfte
ile der Wicklung vermindert.
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Die bekannte Bauart der Anordnung zur Befestigung von Wickelkopfteilen
der Statorwicklung einer elektrischen Maschine gewährleistet also keine ausreichend
sichere Befestigung der Wickelkopfteile der Wicklung und vermeidet infolgedessen
nicht das Entstehen einer Resonanz der Wickelkopfteile zur Frequenz der erzwungenen
Schwingungen während des Betriebs der elektrischen Maschine.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in der Anordnung zur Befestigung
von Wickelkopfteilen der Statorwicklung einer elektrischen Maschine die Größe der
beim Betrieb der elektrischen Maschine entstehenden Schwingungen der Wickelkopfteile
durch eine Änderung der mechanischen Kennwerte des Befestigungssystems der Wickelkopfteile
mittels eines Innenrings mit einer Steifigkeit, die die Eigenschwingungsfrequenz
des neu ausgebildeten Systems in bezug auf die Frequenz der erzwungenen Schwingungen
ändert, wesentlich herabzusetzen.
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Zur Lösung der gestellten technischen Aufgabe ist eine Anordnung zur
Befestigung von Wickelkopfteilen der Statorwicklung einer elektrischen Maschine
vorgeschlagen, die einen aus elektrisch isolierendem Werkstoff gefertig-ten Innenring,
der koaxial der Statorkernbohrung angeordnet ist und auf den sich die Wickelkopfteile
der Statorwicklung abstützen, und einen mit dem ersten verbundenen, in gleicher
Weise hergestellten Außenring, der die Wickelkopfteile von der Außenseite umfaßt
und mit dem Statorkern beweglich verbunden ist, enthält, in dem erfindungsgemäß
der Innenring mit dem Außenring vornehmlich im Bereich der Bügel der Wickelkopfteile
verbunden ist und an dem Z-förmige Elemente befestigt sind, die an den Wickelkopfteilen
anliegen und an Innenring gegen
Axialverschiebungen in bezug auf
die Wickelkopfteile mit Hilfe von Vorsprüngen sichern, wobei der der Stirnfläche
des Kerns zugewandte Vorsprung jedes Z-förmigen Elements zwischen den Wicklungsstäben
am Austritt derselben aus den Nuten des Statorkerns liegt und mit einer von den
Konsolen, die mit der Preßplatte des Statorkerns beweglich verbunden und am Außenring
befestigt sind, starr verbunden ist.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung zur Befestigung von Wickelkopfteilen
der Statorwicklung einer elektrischen Maschine besteht darin, daß die Innen- und
Außenabstützringe grundsätzlich im Bereich der Wickelkopfbügel der Wicklung, d.h.
in der Zone des maximalen Schwingungspegels der Wickelkopfteile angeordnet sind,
wodurch der Pegel der unter Einwirkung der elektrodynamischen Beanspruchungen während
des Betriebs der elektrischen Maschine entstehenden Schwingungen der Wickelkopfteile
wesentlich herabgesetzt wird. Außerdem sind bei der erfindungsgemäßen Anordnung
die Nuten- und Wickelkopfteile der Statorwicklungsstäbe am Statorgehäuse beweglich
befestigt, wobei sie mit dem Statorgehäuse nicht verbunden sind, eine Verstellung
der Wickelkopfteile der Wicklung während ihrer Wärmedehnung ermöglichen und die
Ubertragung von Statorgehäuseschwingungen auf sie herabgesetzt wird.
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Es ist zweckmäßig, daß der Innenring mit dem Außenring mit Hilfe von
Stiftschrauben und zwischen diesen Ringen und den Wickelkopfteilen der Statorwicklung
angebrachten Zwischenlagen, die aus sich formendem und härtendem Material bes-tehen,
verbunden wird.
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Zweckmäßig ist auch, daß der Vorsprung des Z-förmigen Elements, der
der Stirnseite des Statorkerns zugewandt ist, mit der am Außenring befestigten Konsole
mit Hilfe von Stiftschrauben verbunden wird.
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Eine solche Verbindung der oben genannten Elemente der Anordnung gewährleistet
eine einfache Montage und Betriebssicherheit der erfindungsgemäßen Anordnung zur
Befestigung der Wickelkopfteile.
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Außerdem ist es erforderlich, daß die Stiftschrauben aus einem unmagnetischen
Material gefertigt sind.
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Die Stiftschrauben können aus unmagnetischem Stahl mit einem Elektroisolationsüberzug
hergestellt sein.
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Die Stiftschrauben können auch aus einem Schichtpreßstoff bestehen.
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Die Verwendung solcher Werkstoffe vermeidet das Auftreten von Wirbelströmen
in den Stiftschrauben und die nachfolgende Erwärmung derselben infolge dieser Ströme.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels
derselben und der beigelegten Zeichnung näher erläutert, in der ein Teil des Stators
der elektrischen Maschine mit der erfindungsgemäßen Anordnung zur Befestigung von
Wickelkopfteilen der Statorwicklung im Längsschnitt dargestellt ist.
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Die Zeichnung ist eine schematische Darstellung und soll keine Maße
von zu ihrem Umfang gehörenden Elementen und dergleichen angeben.
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Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß im Statorkern einer elektrischen
Maschine, insbesondere im Kern 1 eines leistungsfähigen Generators, der aus Paketen
des Magnetleiters besteht, Nuten, z.B. die Nut 2, ausgeführt sind, in die die Statorwicklung
eingelegt ist, welche Wickelkopfteile des oberen 3 und des unteren 4 (gemäß der
Zeichnung) Wicklungsstabs besitzt, deren Verbindung den Bügel 5 bildet. An beiden
Stirnflächen
des Kerns 1 sind Elemente angeordnet, die das Zusammenpressen der Pakete des Itagnetleiters
in Axialrichtung bewirken und die an der in der Zeichnung dargestellten Stirnseite
die Preßplatte 6 und die Zugstiftschraube 7 enthalten.
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Die Anordnung zur Befestigung von Wickelkopfteilen der Statorwicklung
gemäß der Erfindung enthält einen Innenring 8 mit einer großen Querschnittsfläche
aus Elektroisolierwerkstoff,der aus nachstehend angeführten Gründen einen hohen
Steifigkeitswert aufweist. Der Innenring 8 ist koaxial der Bohrung des Eisenkerns
1 in einem gewissen, durch die Länge der Wickelkopfteile bestimmten Abstand von
der Stirnfläche desselben angeordnet und hat eine zylindrische Innenfläche 9, deren
Durchmesser allgemein dem Bohrungsdurchmesser im Kern 1 gleich ist, sowie eine Außenfläche,
die aus dem konischen Teil 10 und dem zylindrischen Teil 11 besteht. Die Wickelkopfteile
der Wicklung stützen sich auf den Innenring 8 so ab, daß der Schrägabschnitt des
Wickelkopfteils des Oberstabs 3 dem konischen Teil 10 und der Bügel 5 dem zylindrischen
Teil 11 der Außenfläche dieses Rings anliegt.
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An der Außenseite der Wickelkopfteile der Statorwicklung ist ein dieselben
umfassender Außenring 12 mit einer im Vergleich mit der Querschnittsfläche des Innenrings
8 geringen Querschnittsfläche angeordnet. Der Außenring 12 liegt mit seiner Innenfläche
dem Bügel 5 an und drückt die Wickelkopfteile gegen den Innenring 8. Der Außenring
12 und der Innenring 8 sind miteinander mit Hilfe der Zugschrauben 13 verbunden.
Dabei sind zum Erhalten einer dichten Verbindung der Ringe 8 und 12 mit den Wickelkopfteilen
zwischen dem Wickelkopfteil und dem Bügel 5 des Oberstabs 3 und der diesem zugewandten
Außenfläche 10, 11 des Innenrings 8 sowie zwischen dem Bügel 5 des Wickelkopfteils
des Unterstabs 4 und der diesem zugewandten Innenfläche des Außenrings
12
Zwischenlagen 14 aus sich verformdendem und härtendem Material untergebracht, das
Klebeeigenschaften aufweist.
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Dieses Material gewährleistet eine sichere Abdichtung des Montage
spalts zwischen den Wickelkopfteilen und dem Innenring 8 und Außenring 12, füllt
vollständig die unvermeidlich bestehenden Ungleichmäßigkeiten dieses Spalts aus
und steigert die Verbindungssteifigkeit dieser Ringe mit den Wickelkopfteilen der
Wicklung..
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Am Innenring 8 sind die axial angeordneten Z-förmigen Teile befestigt,
von denen in der Zeichnung nur das Z-förmige Teil 15 dargestellt ist, die diesen
Ring gegen Axialverschiebungen in bezug auf die Wickelkopfteile sichern. Dabei ist
der Vorsprung 16 des Z-förmigen Teils am Innenring 8 mit Hilfe der Stiftschraube
17 befestigt, während der Vorsprung 18 dieses Teils zwischen den Oberstäben 3 der
Statorwicklung am Austritt derselben aus der Nut 2 des Kerns 1 eingesetzt ist. Der
Vorsprung 18 des Teils 15 hat eine Form, die der Form der Abschnitte der Oberstäbe
3, denen er anliegt, entspricht.
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Der Außenring 12 ist mit Hilfe des Stiftes 19 an der aus Elektroisolierstoff
gefertigten Konsole 20 befestigt, die mit der diese umfassenden muldenförmigen Spange
21 beweglich verbunden ist, welche aus unmagnetischem Stahl hergestellt und an der
Preßplatte 6 befestigt wird, wodurch die Möglichkeit zur Axialverstellung der Wickelkopfteile
gemeinsam mit dem Innenring 8 und Außenring 12 gegenüber dem Kern 1 des Stators
gewährleistet ist. Das Z-förmige Teil 15 ist mit der Konsole 20 aus Elektroisolierstoff
dadurch starr verbunden, daß der Vorsprung 18 dieses Teils mit Hilfe der Stiftschraube
22 mit dem unter diesem liegenden Ende 23 der Konsole 20 aus Elektroisolierstoff
verbunden wird.
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Die Wickelkopfteile des oberen 3 und unteren 4 Statorwicklungsstabs
sind auf die Bandageringe 24 aufgelegt, die sich
an der Konsole
20 aus Elektroisolierstoff abstützen und mit Hilfe von Schnurbindungen 25 zusammengehalten
werden. Zwischen den Bandageringen 24 sind Distanzzwischenlagen 26 eingesetzt, die
ihrerseits an der Konsole 20 aus Elektroisolierstoff mit Hilfe der Schnüre 27, die
in den in dieser Konsole ausgeführten Bohrungen untergebracht sind, befestigt werden.
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Die muldenförmige Spange 21 ist mit Hilfe von Stiftschrauben 28 mit
der Preßplatte 6 starr verbunden. Die Stiftschrauben 13, 17, 22 und 28 sind mit
den Muttern 29 bzw. 30 bzw. 31 bzw. 32 versehen.
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Die erfindungsgemäße Anordnung zur Befestigung von Wickelkopfteilen
der Statorwicklung einer elektrischen Maschine arbeitet folgenderweise: Während
des Betriebs des Generators wirken, wie schon oben gesagt wurde, auf die Wickelkopfteile
der Statorwicklung elektrodynamische Wechselkräfte ein, die bestrebt sind, Schwingungen
der Wickelkopfteile, in erster Linie in radialer und tangentialer Richtung,hervorzurufen.
In der erfindungsgemäßen Anordnung zur Befestigung der Wickelkopfteile wird jedoch
das Maß der auftretenden Schwingungen bedeutend herabgesetzt infolge der Steifigkeit
der Bauart, die vor allem durch die starre Verbindung ihrer Elemente bedingt ist.
Dabei bildet sich ein geschlossener Kreis starr verbundener Elemente: Innenring
8 - Z-förmiges Element 15 mit Vorsprung 18 - Zugstiftschraube 22 - Konsole 20 aus
Elektroisolierstoff - Außenring 12 - Zugstiftschrauben 13 mit den auf den Bügel
5 der Wickelkopfteile aufgelegten Zwischenlagen 14 aus sich formendem und härtendem
Material - Innenring 8. Dieser Kreis verleiht den Wickelkopfteilen und dessen Befestigungselementen
eine Starrheit, die Widerstand der auf sie einwirkender Kräfte als ein einheitliches
Ganzes leisten.
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Einen wesentlichen Beitrag zur Steifigkeit der gesamten Bauart der
erfindungsgemäßen Anordnung ergibt auch die Steifigkeit des Innenrings 8, dessen
Wirkung auf dem nachfolgenden beruht: Das zu einem Ganzen verbundene System der
Wickelkopfteile mit den Befestigungselementen (Bandageringen, Schnurbindungen und
dergleichen) besitzt die ihm eigene gewisse Steifigkeit C, die reduzierte Masse
M und die durch die Beziehung
ausgedrückte Eigenschwingungsfrequenz. Bei der Einwirkung der elektrodynamischen
Wechselkräfte wird der Schwingungswert A eines solchen Systems durch die Größe der
Störkraft R, den Steifigkeitswert C, den Verstimmungsgrad in bezug auf die erzwungene
Schwingungsfrequenz a und den Dämpfungsfaktor " bestimmt, die durch folgenden Ausdruck
vereinigt sind
Es steht fest, daß die Eigensteifigkeit C der Wickelkopfteile der Statorwicklung
über einen gewissen Wert, der durch die geometrischen Abmessungen der Wickelkopfteile
der Wicklung und die physikalischen Eigenschaften der zu deren Befestigung verwendeten
Materialien bestimmt wird, nicht gesteigert werden kann. Gleichzeitig liegt der
Wert der Eigenschwingungsfrequenz Wc der Wickelkopfteile in vielen Fällen nahe dem
Wert der erzwungenen Schwingungsfrequenz (100 bzw. 120 Hertz). In diesem Fall wird
der Schwingungswert A mit der Störkraft F ansteigen. Zu einer wesentlichen Herabsetzung
des Schwingungswerts A muß der Innenring 8 eine Eigensteifigkeit Cl aufweisen, die
höher als die Steifigkeit C der Wickelkopfteile ohne diesen Ring liegt.
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Dabei wird die Herabsetzung des Schwingungswerts A sowohl durch die
Steigerung der Gesamtsteifigkeit, die durch die
Werte C und C1
bestimmt wird, als auch durch die Anderung des Werts der Eigenschwingungsfrequenz
des gesamten Systems, die infolge einer Änderung dessen Gesamtsteifigkeit geschieht,
bedingt.
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Die Heraufsetzung der Steifigkeit des Innenrings 8 in der Anordnung
zur Befestigung der Wickelkopfteile gemäß der Erfindung wird durch die Wahl des
zur Herstellung des Innenrings 8 verwendeten Werkstoffs mit einem erhöhten Elastizitätsmodul
erreicht sowie durch die Wahl eines Querschnitts dieses Rings, die mit dem Querschnitt
der Wickelkopfteile der Wicklung vergleichbar ist. Die letztere von den angegebenen
Maßnahmen wurde durch die Wahl eines für den vorliegenden Typ des Generators möglichst
geringen Innendurchmessers des Innenrings 8 und die Wahl einer optimalen Stärke
desselben durch dessen Anordnung vorzugsweise im Bereich der Bügel an den Wickelkopfteilen
der Wicklung realisiert.
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Eingehender betrachtet, werden die geometrischen Abmessungen des Innenrings
8 der Anordnung zur Befestigung der Wikkelkopfteile der Wicklung, die im Stator
eines Zweipolgenerators verwendet wird, aufgrund folgender Erwägungen gewählt. Zum
Erhalten der erforderlichen Steifigkeit des Innenrings 8, die in einem bestimmten
Verhältnis zu der Gesamtsteifigkeit des ganzen Befestigungssystems steht, muß dieser
Ring eine Grundfrequenz der Eigenbiegeschwingungen aufweisen, die mindestens um
25 Prozent die Frequenz der Störkraft überschreitet. So z.B. wird für einen Generator
mit der Betriebsfrequenz von 50 Hertz und, entsprechend, mit der erzwungenen Schwingungsfrequenz
von 100 Hertz die Eigenschwingungsfrequenz f1 des Innenrings 8 durch die Beziehung
bestimmt. Hierin sind: H - Stärke des Rings, Rm - Mittelradius
des Rings und K " 4,7.104 cm/s - ein Faktor, der im wesentlichen von der Form und
dem Werkstoff des Rings abhängt und aus der Voraussetzung gewählt ist, daß der Elastizitätsmodul
des Ringwerkstoffs E = 2,8.1Q5 kp/cm2 beträgt.
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Die Anordnung des Innenrings 8, der eine vergrößerte Querschnittsfläche
und folglich auch eine größere Masse aufweist, im Bereich der Wickelkopfbügel 5
ändert also auch die Eigenschwingungsfrequenz der gesamten Anordnung zur Befestigung
der Wickelkopfteile, was auch eine Herabsetzung des Schwingungswerts A zur Folge
hat. Das bietet die Möglichkeit, durch eine Anderung der Lage des Innenrings 8 an
den Wickelkopfteilen der Wicklung bzw. durch die Wahl seines Querschnitts die Eigenschwingungsfrequenz
des Befestigungssystems der Wickelkopfteile und, entsprechend, das Schwingungsmaß
dieses Systems zu verändern.
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Während einer Längenänderung des Nutenteils der Wicklung bei einer
Änderung ihrer Temperatur werden sich die Wickelkopfteile der Wicklung gemeinsam
mit dem Innenring 8 und dem Außenring 12 in Axialrichtung in bezug auf den Statorkern
1 frei verstellen, so daß die aus Elektroisolierstoff gefertigte Konsole 20, die
am Außenring 12 befestigt und über das Z-förmige Element 15 mit dem Innenring 8
starr verbunden ist, sich in der muldenförmigen Spange 21 verschieben kann, die
an der Preßplatte 6 des Kerns 1 befestigt ist und in diesem Fall unbeweglich bleibt.
In ähnlicher Weise wird bei einer Wärmedehnung des Statorkerns 1 die Bewegung der
Preßplatte 6 keinen Einfluß auf die Lage der Wickelkopfteile ausüben, da die muldenförmige
Spange 21 sich in bezug auf die Konsole 20 aus Isolierstoff frei verstellen wird,
die in diesem Fall unbeweglich bleibt.
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In der erfindungsgemäßen Anordnung zur Befestigung der Wikkelkopfteile
werden der Innenring 8, der Außenring 12, die Z-förmigen Elemente 15 und die Konsole
20 aus Elektroisolierstoff, insbesondere aus Schichtpreßstoff auf der Basis von
Epoxidharzen, und die Zugstiftschrauben 13, 22 aus einem unmagnetischen Werkstoff,
insbesondere aus unmagnetischem Stahl mit einem Elektroisolierüberzug oder aus dem
oben angegebenen Schichtpreßstoff hergestellt.
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Die erfindungsgemäße Anordnung zur Befestigung von Wickelkopfteilen
der Statorwicklung einer elektrischen Maschine ermöglicht - eine gewünschte Steifigkeit
des Innenrings zu wählen sowie - die Eigenschwingungsfrequenz in bezug auf die erzwungene
Schwingungsfrequenz zu ändern und dadurch letzten Endes - die Sicherheit der Befestigung
von Wickelkopfteilen der Wicklung zu steigern, und zwar infolge einer wesentlichen
Herabsetzung des maximalen Pegels der beim Betrieb der elektrischen Maschine auftretenden
Schwingungen, die durch die Anordnung eines steifen Innenrings im Bereich der Wickelkopfbügel
der Wicklung erreicht wird.
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Die die Anordnung ausbildenden Elemente sind einfach in der Herstellung,
und die Bauart der Anordnung ist günstig sowohl für die Montage als auch für den
Betrieb der elektrischen Maschine.
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L e e r s e i t e