DE2924697A1

DE2924697A1 - Dynamoelektrische maschine mit einem lamellierten statorkern

Info

Publication number: DE2924697A1
Application number: DE19792924697
Authority: DE
Inventors: Warren W Jones; Arthur Mulach
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1978-06-22
Filing date: 1979-06-19
Publication date: 1980-01-10
Also published as: US4208597A; IT7923675A0; YU147379A; IT1121821B; CA1083212A; BE877203A; FR2429513A1; JPS555095A; ES481703A1

Description

WS169P-1962

Dynamoelektrische Maschine mit einem lamellierten Statorkern

Die Erfindung betrifft eine dynamoelektrische Maschine mit einem lamellierten Statorkern und Längsnuten zur Aufnahme der Statorwicklung, wobei der Statorkern mit am jeweiligen Ende angreifenden sowie Fingerplatten umfassenden Klemmvorrichtungen zusammengepreßt wird.

Der Statorkern von dynamoelektrischen Maschinen, insbesondere großen Generatoren wird aus einzelnen Kernblechen aufgebaut, um die Wirbelstromverluste im Statorkern zu reduzieren. Es entstehen jedoch trotzdem wesentliche Hysterese-Wirbelstromverluste, die eine Erwärmung des Kerns mit sich bringen, so daß eine Wärmeabfuhr notwendig ist, um die Temperatur innerhalb vorgegebener Grenzen zu halten. Zu diesem Zweck werden üblicherweise die Statorkerne in einzelne Kernpakete unterteilt, zwischen denen radial verlaufende Belüftungskanäle vorgesehen sind, durch welche das Kühlgas zirkulieren kann.

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Diese radialen Belüftungskanäle werden durch das Einfügen von Belüftungsplatten zwischen die dichtzusammengedrückten Kernpakete hergestellt. Die herkömmlicherweise benutzten Belüftungs· platten bestehen aus Stanzteilen mit einer identischen Konfiguration wie die Kernbleche, an welchen Ab stands finger ausgebildet sind. Diese Abstandsfinger bestehen aus dünnen, in der Regel radial verlaufenden Blechteilen, die senkrecht auf der Ebene der Belüftungsplatte stehen. Typischerweise haben diese Finger eine Höhe von etwa 3, 2 mm und sind mit den Belüftungs platten verrietet. Wenn eine derartige Belüftungs platte in den lamellierten Statorkern eingefügt wird, halten die Abstandsfinger das angrenzende Kernpaket auf einem gewissen Abstand, so daß die radial verlaufenden Belüftungskanäle entstehen, die eine der Höhe der Finger entsprechende Breite haben.

Diese konventionellen Belüftungs platten arbeiten, was die Belüftung anbelangt, im wesentlichen zufriedenstellend,jedoch entstehen Probleme dadurch, daß bei der Herstellung unvermeidliche Toleranzen auftreten. Die Abstandsfinger werden mit Hilfe von Stanzformen aus Blechmaterial hergestellt und variieren deshalb in ihren Abmessungen und in ihrer Formgebung. Es kann sogar der Fall sein, daß sie von einem zum anderen Ende hin gering konisch verlaufen. Die Gesamtdicke der Platte und der Abstandsfinger an den Stellen, an welchen die Finger angenietet werden, kann ebenfalls von Platte zu Platte unterschiedlich sein. Diese unvermeidlichen Toleranzabweichungen reichen aus, um. die mechanische Stabilität zumindest in speziellen Anwendungsfällen zu beeinträchtigen und ferner kann dadurch der radiale Kühlmittelfluß gestört werden.

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Das Problem der Kühlung des Statorkerns tritt insbesondere an den Endbereichen der Statorkerne großer dynamoelektrischer Maschinen auf und insbesondere in Synchronmaschinen, da der Strom in den Endabschnitten der Rotorwicklung und in den Endabschnitten der Statorwicklung Magnetfelder auslöst, welche derart zusammenwirken, daß ein axial gerichteter Magnetfluß entsteht. Dieser axiale Magnetfluß dringt in den Endbereich des Statorkerns im wesentlichen senkrecht zum Kernblech ein und löst damit große Wirbelströme in den Endbereichen des Kerns aus, da die Kerne gegen diesen radialen Magnetfluß nicht lamelliert sind. Die dabei auftretenden Wärmeverluste sind sehr groß und können eine Überhitzung der Endbereiche des Statorkerns mit sich bringen.

Wenn die oben beschriebenen konventionellen Belüftungsplatten im Endbereich großer Statorkerne angeordnet werden, ist es nicht möglich die Abstandsfinger auf der Seite der Fingerplatten anzubringen, mit welchen der Statorkern zusammengepreßt wird. Aufgrund der mechanischen Schwierigkeiten, die vorausgehend erwähnt wurden, ist es daher notwendig, zwischen die Fingerplatte und die konventionelle Belüftungsplatte ein Kernpaket einzufügen, das eine gleichmäßige Druckeinleitung in die Belüftungsplatte ermöglicht. Die Verwendung eines derartigen Zwischenpaketes bringt es mit sich, daß eine gewisse Flexibilität und Nachgiebigkeit im Kern erhalten bleibt, selbst wenn der Kern sehr stark verklemmt ist, so daß die sich einstellende Lastverteilung die Herstellungstoleranzen ausgleicht. Bei dem montierten Statorkern liegt eine starre Fingerplatte auf jeder Stirnseite des Kerns und wird mit einer verhältnismäßig großen und schweren Verklemmeinrichtung gegen den Kern gepreßt. Dadurch wird der Kern in axialer Richtung mit hohem Druck verspannt.

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Die Fingerplatten und das anliegende Kernpaket des Statorkerns tendieren dazu, sich aufgrund dieses axialen Magnetfluß es und auch der Wärmeleitung vom Kern her selbst stark zu erwärmen, so daß die Kühlung dieser Endbereiche des Statorkerns Schwierig keiten bereitet. Herkömmliche Belüftungsplatten können nicht unmittelbar neben den Fingerplatten angeordnet werden, um an den Fingerplatten entlangverlaufende Belüftungskanäle vorzusehen. In Folge des notwendig werdenden Einfügens eines Kernpaketes befinden sich die Belüftungskanäle in einem verhältnismäßig großen Abstand von der Fingerplatte, so daß diese und das angrenzende Kernpaket nicht ausreichend gekühlt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zu schaffen, um die Kühlung der Fingerplatte am jeweiligen Ende des Statorkerns zu verbessern.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer dynamoelektrischen Maschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen Fingerplatte und dem lamelliert en Statorkern eine starre Belüftungplatte eingefügt ist, welche aus einem nichtmagnetischen Material von im wesentlichen gleicher Konfiguration wie die Kernüeche hergestellt ist.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

Durch die Maßnahmen der Erfindung ist es möglich, die Endbereiche des StatorkernsVon dynamoelektrischen Maschinen wesentlich besser zu kühlen, wobei durch die Verwendung der starren Belüftungsplatten gemäß der Erfindung es auch möglich wird, herkömmliche

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kömmliche Belüftungsplatten verhältnismäßig nah am jeweiligen Statorkernende anzuordnen, ohne daß dadurch die erforderliche mechanische Stabilität beeinträchtigt wird. Dies führt zu einer weiteren Verbesserung der Kühlung im Endbereich des Statorkerns. Durch die Einfügung einer starren Platte kann es möglich sein, eine herkömmliche Belüftungsplatte unmittelbar am Ende des Statorkerns anzuordnen, ohne daß dadurch die mechanische Stabilität beeinträchtigt wird. Auch diese Maßnahme bewirkt, daß die Kühlung des Endbereichs eines lameliierten Statorkerns wesentlich besser als bisher möglich ist.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen: 15

Fig. 1 eine teilweise aufgeschnittene Teilansicht

eines großen Synchrongenerators;

Fig. 2 einen Teilschnitt durch das Ende eines Stator-

kerns gemäß der Erfindung;

Fig. 3 eine Draufsicht auf ein Segment einer Be

lüftungsplatte gemäß der Erfindung;

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV der Fig. 3;

Fig. 5 einen Teilschnitt durch das Ende eines Kern

paketes nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

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Die in Fig. 1 dargestellte dynamoelektrische Maschine hat ein gasdichtes Gehäuse 10 mit einem lamellierten Statorkern 12, der in längs verlauf enden Nuten die Statorwicklung 14 aufnimmt. Ein innerhalb des Stators drehbar gelagerter Rotor 16 ist in herkömmlicher Weise mit einer Feldwicklung versehen. Die dynamoelektrische Maschine wird durch ein zirkulierendes Kühlgas, vorzugsweise Wasserstoff, gekühlt, das innerhalb des Gehäuses 10 in gewünschter Weise zirkuliert wird, wobei es Kühlkanäle durchfließt, und an Leitflächen vorbeifließt, um den gewünschten Strömungsverlauf zu erhalten. Im Statorkern sind radial verlaufende Belüftugskanäle zwischen einzelnen lamellierten Kernpaketen 18 angeordnet.

Der Endabschnitt des Statorkerns 12 ist in Fig. 2 in vergrößertem Maßstab dargestellt, wobei beide einander gegenüberliegende Abschnitte gleichartig aufgebaut sind. Der Statorkern besteht aus den einzelnen lamellierten Kernpakten 18, die durch Belüftungskanäle 20 voneinander getrennt sind. Diese Belüftungskanäle werden durch Belüftungsplatten der erwähnten Art gebildet, d. h. jeder radiale Belüftungskanal wird von einer Platte gebildet, die dieselbe Größe und Konfiguration wie die angrenzenden Kernblechen hat, jedoch mit vorstehenden Metallfingern versehen ist, die als Distanzelemente wirken und den gewünschten Abstand im Belüftungskanal halten. Der Statorkern 12 wird mit Hilfe geeigneter Klemm ein richtungen 2 3 zusammengepreßt, wobei die Klemm einrichtungen auf Fingerplatten 22 wirken, die auf dem stirnseitigen Ende des lamellierten Statorkernsjaufliegen und mit Hilfe von Bolzen oder anderen, nicht'dargestellten Klemmelementen gegeneinander verpreßt werden.

Die

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Die Verwendung herkömmlicher Belüftungsplatten löst, wie bereits erwähnt, gewisse mechanische Stabilitätsprobleme aus, die auf dem größten Teil der Länge des Statorkerns durch die Verwendung von lamellierten Kernpaketen auf jeder Seite der B elüftungs platte zu überwinden sind, wobei diese Kernpakete eine ausreichende Elastizität haben, um durch eine entsprechende Nachgiebigkeit eine Lastverteilung zu gewährleisten und Herstellungstoleranzen ausgleichen. Am Ende des Statorkerns kann jedoch eine herkömmliche Belüftungsplatte in direkter Kontaktberührung mit der schweren und starren Pingerplatte nicht angeordnet werden, so daß es bisher notwendig ist, ein weiteres Kernpaket zwischen die Belüftungsplatte und die Fingerplatte einzufügen. Dadurch ergibt sich eine Verschlechterung der Kühlung der Fingerplatte und des lamellierten Statorkerns im Endbereich, da das radial fließende Kühlgas nicht durch diesen Bereich fließt, der,wie erläutert, in Folge hoher Wirbelstromverluste selbst die Quelle der Erwärmang ist.

Gemäß der Erfindung ist eine Belüftungsplatte vorgesehen, die eine wesentlich bessere Kühlung der Fingerplatte und des Endabschnitts des Statorkerns zuläßt. In Fig. 3 ist ein Segment einer solchen B elüftungs platte 25 gemäß der Erfindung in Draufsicht dargestellt. Bei großen dynamoelektrischen Maschinen wird der ringförmige Statorkern aus einzelnen Kernflächen aufgebaut, die ihrerseits wieder segmentartig unterteilt sind, um die Kernherstellung und die Montage zu vereinfachen. Die Belüftungsplatte gemäß der Erfindung besteht aus Segmenten im wesentlichen gleicher Größe, obwohl auch eine ringförmige B elüftungs platte herstellbar wäre und bei Maschinen bestimmter Größe zweckmäßig sein kann. Das Segment 26 gemäß Fig. 3 besteht aus einer

starren

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starren, nichtmagnetischen Platte ausreichender Dicke, um die gewünschte mechanische Stabilität und Festigkeit zu gewährleisten. Vorzugsweise ist die Fingerplatte aus nichtrostendem Stahl in einer Dicke von etwa 6, 3 mm hergestellt. Die Segmente 26 haben diec selbe Konfiguration wie die Kernblechen,aus denen die einzelnen Kernpakete 18 aufgebaut sind. Im vorliegenden Fall hat das Segment drei Stege 27, zwischen welchen Nuten für die Aufnahme der Statorwicklung 14 liegen. An der äußeren Peripherie der Segmente sind Ausschnitte 28 ausgebildet, durch welche herkömmliche Kern-

^₀ bolzen verlaufen. Das einzelne Segment 26 kann Bohrungen, z.B. in Form der Bohrungen 29 für die Aufnahme weiterer Klemmbolzen und Bohrungen 30 umfassen, welche im zusammengebauten Zustand axiale Kühlkanäle bilden. Die Bohrungen 29 und 30 sind aufeinander ausgerichtet und verlaufen axial durch den Statorkern. Um

je auch einen radialen Fluß des Kühlgases möglich zu machen, sind die Segmente 26 mit Rillen 31 versehen, welche radial verlaufen. Diese Rillen 31 können bezüglich der Größe und Anordnung verschieden sein und sind an die Erfordernisse des Kühlgasflußes der jeweiligen Maschine angepaßt. Die Rillen verlaufen von der inneren

„₀ Peripherie im Bereich der Stege 27 bis zur äußeren Peripherie des Segmentes 26.

Eine derartige ausSegmenten'aufgebaute Belüftungsplatte 25 ist in den Statorkern gemäß Fig. 2 am stirnseitigen Ende in direkter Kontaktlage zur Fingerplatte 22 angeordnet. Dabei ist die mit den Rillen 31 versehene Oberfläche gegen den lamellierten Statorkern gerichtet. Auf diese Weise erhält man eine sehr wirkungsvolle Kühlung, da das Kühlgas radial durch die Rillen 31 in direktem Kontakt mit dem stirnseitigen Kex'nblech fließen kann. Dadurch wird der Endbereich des Statorkern und auch die Klemm -

einrichtungen

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einrichtungen gut gekühlt, da das durch die Belüftungskanäle zwischen der Fingerplatte und dem Statorkern strömende Kühlgas die Wärme gut abführt. In der Darstellung ist der komplette Strömungs verlauf des Kühlgases durch die Maschine nicht gezeigt, da die Kühltechnik und die damit verbundene Führung des Strömungs flußes bekannt ist. Wenn es wünschenswert erscheint, kann die Belüftungsplatte 25 auch mit der Rillenseite nach außen, d.h. zur Fingerplatte 22 weisend montiert werden, und ferner ist vorgesehen, daß die Belüftungsplatte sowohl auf der Innen- als auch auf der Außenseite mit Rillen 31 versehen ist.

Aus der voraus stehenden Erläuterung geht bereits hervor, daß die Verwendung einer Belüftungsplatte 25 gemäß der Erfindung mit eingearbeiteten Rillen für den Fluß des Kühlgases äußerst vorteil haft ist. Die Schwierigkeiten mit der mechanischen Stabilität werden eliminiert und die Kühlung der Endabschnifte des Statorkerns wesentlich verbessert, wobei keine Änderung des üblichen Kühlmittelflußes in der Maschine notwendig ist. In einigen Anwendungsfallen ist bereits die Vergrößerung der mechanischen Stabilität ein ausreichend großer Vorteil, so daß zwischen dem Statorkern und der Fingerplatte Segmente 26 Verwendung finden können, die keine· Rillen 31 habe. In diesem Fall werden die Segmente 26 zwischen die Fingerplatte und eine herkömmliche B elüftungs platte 32 gelegt, welche eine radiale Belüftung zuläßt. Die Verwendung der Segmente 26 zum Aussteifen ermöglicht das Vorsehen einer Belüftungsplatte 32 unmittelbar neben der Fingerplatte, ohne daß die mechanische Stabilität Schwierigkeiten aufgrund der unvermeidlichen Herstellungstoleranzen bei derartigen konventionellen Belüftungsplatten bereitet.

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Die Verwendung einer starren Belüftungsplatte 25 hat auch für sehr große dynamoelektrische Maschinen Vorteile, bei welchen der Luftspalt in Querrichtung in Zonen unterschiedlichen Gasdruckes unterteilt ist, indem Ringbarrieren im Luftspalt vorgesehen werden, die sich am Stator abstützen. Bei herkömmlichem Aufbau ist es schwierig, den axialen Anbringungsort für die letzte Luftspaltbarriere am einen Ende des Kerns festzulegen, da der Kerndurchmesser am Ende der Maschine größer wird und spezielle Werkzeuge benutzt werden, um die Luftspaltbarriere anzubringen. Wenn dagegen eine starre Belüftungsplatte 25 in der Position gemäß Fig. 2 Verwendung findet, kann die Platte der Bohrung der Maschine angepaßt werden, so daß die Platte selbst als die Lage bestimmendes Element für die Installation der Luftspaltbarriere am Ende wirkt.

Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

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Dynamoelektrische Mas chine mit einem lamellierten Statorkern und Längsnuten zur Aufnahme der Statorwicklung, wobei der Statorkern mit am jeweiligen Ende angreifenden sowie Fingerplatten umfassenden Klemmvorrichtungen zusammengepreßt wird, dadurch gekennzeichnet, - daß zwischen Fingerplatte (22) und den lamellierten Statorkern (12) eine starre Belüftungsplatte (25) eingefügt ist, welche aus einem nichtmagnetischen Material von im wesentlichen gleicher Konfiguration wie die Kernbleche hergestellt ist.

Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Belüftungsplatte (25) aus nichtrostendem Stahl hergestellt ist.

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ORIGINAL INSPECTED'

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3. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Belüftungsplatte (25) mit radial verlaufenden Rillen (31) auf zumindest einer Seite versehen ist.

4. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Rillen (31) auf der demlamellierten Statorkern (12) zugewandten Seite angebracht sind.

5. Dynamoelektrische Maschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

- daß die B elüftungs platte (25) aus Teilsegmenten (26) mit einer den Stegen und Nuten entsprechenden inneren Konfiguration aufgebaut ist,

- und daß die Rillen (31) vom äußeren Durchmesserabschnitt bis zum inneren Durchmesserabschnitt am inneren Ende der Stege (27) verlaufen.

6. Dynamoelektrische Maschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Statorkern (12) aus einer Vielzahl von Kernpaketen (18) aufgebaut ist,

- daß zwischen den einzelnen Paketen jeweils radial verlaufende Belüftungskanäle vorgesehen sind,

- und daß Einrichtungen vorhanden sind, um ein Kühlgas radial durch die Belüftungskanäle und die in den Belüftungsplatten (25) vorgesehenen Rillen (31) zu zirkulieren.

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