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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Elektroenergieerzeugungindustrie,
speziell den Bereich von Generatoren zur Energieerzeugung.
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Hintergrund
der Erfindung
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In
der Elektroenergieerzeugungsindustrie besteht, wie jedem Fachmann
bekannt ist, ein Generator aus Rotor und Stator. Der Rotor des Generators enthält mehrere
Rotornuten. Die Rotornuten weisen herkömmlicherweise eine Vielzahl
von elektrisch leitenden Rotorkeilen für die Befestigung der Komponenten,
z. B. Spulen und Nutfüller,
in den Nuten auf. Diese Nutkomponenten müssen fest verbunden bleiben,
um eine relative Bewegung der Kupferwicklungen bei Betrieb mit niedrigen
Drehzahlen zu verhindern, die zu einer Abnutzung der Wicklungen
und die Entstehung von leitfähigen
Partikeln, z. B. Kupferstaub, führen
könnte.
Fest mit der Nut verbundene Komponenten gewährleisten darüber hinaus
die Bereitstellung eines angemessenen Kontaktdrucks auf ein Dämpfungssystem
des Rotors (z. B. Keil und Rotorzahn) bei niedrigen Drehzahlen zur
Leitung von Strömen,
die bei statischem Anlaufbetrieb erzeugt werden. Das Einkeilen der
Komponenten in den Nuten zwischen den Rotornutkeilen ist noch problematischer.
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Eine
konventionelle Methode für
das Einkeilen der Nut ist der Einsatz der „Brute Force"-Technik, die arbeitsintensive
sein kann. Bei diesem herkömmlichen
Verfahren werden die Längen
aller Nuten gemessen. Danach werden die Nutfüller so geschliffen, dass sie
passen, und mit einer großen
Hydraulikramme werden Keile in die Nut getrieben. Die Füllerdicke für einen
bestimmten Keil wird dabei nach der empirisch-praktischen Methode
(„Trial
and Error"-Prinzip) bestimmt.
Wenn der Füller
zu dünn
geschliffen wird, wird die Nut zu locker. Wenn der Füller zu
dick ist, kann es zu Festfressen kommen, wenn die Keile in die Nut
eingetrieben werden. Die Toleranzen zwischen „zu dünn" und „zu dick" können
zu groß sein und
zu Rotorproblemen führen.
Zudem lässt
dieses Verfahren zu, dass die Nut sich mit zunehmendem Maschinenalter
lockert und Isolationskomponenten im Laufe der Zeit wandern.
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Es
sind Systeme, wie sie im US-amerikanischen Patent Nr. 5.430.340
von Shih et al. mit dem Titel „Harmonic
Current Path Spring Device Between Retaining Ring and Rotor Wedge
of A Dynamoelectric Generator" (Federvorrichtung
für einen
harmonischen Strompfad zwischen Haltering und Rotorkeil eines dynamoelektrischen
Generators) entwickelt worden, bei denen Feder verwendet wird, die
sich unter den Rotornutkeilen befindet, um die Keile gegen die überlappenden
Halteringe vorzuspannen. Derartige Systeme können jedoch einige der oben
beschriebenen Probleme nicht befriedigend lösen, insbesondere das Problem
der lockeren Komponenten zwischen den Keilen.
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Es
sind andere Systeme entwickelt worden, z. B. im US-amerikanischen Patent
Nr. 5.550.417 von Morrison et al. mit dem Titel „Amortisseur Winding Arrangement,
In a Rotor For Electrical, Rotating Equipment" (Dämpferwicklungsanordnung
in einem Rotor für
elektrische rotierende Vorrichtungen), mit denen versucht wird,
das Problem lockerer Nutkomponenten zwischen den Keilen zu lösen, indem
die Keile physikalisch und elektrisch verbunden werden. In derartigen
Systemen werden gebogene Verbindungselemente oder Einlagen verwendet,
die gefedert sind, um die Befestigung der Keile zu verbessern. Die
physikalische Verbindung der Keile und die spezifische Formung der
Keile sind jedoch oft nicht wie erwünscht.
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In
JP 59.099.946 ist eine
Statorspulen-Befestigungsvorrichtung
beschrieben.
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In
EP 0.468.784 ist ein Energieerzeugungsgenerator
mit Rotor- und Statorwicklungen sowie eine Vorrichtung für die feste
Verbindung der Keile und Dämpfer
in Nutkeilen beschrieben, die die Wicklungsnuten und andere Teile überlagern.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren für
das Einkeilen von Nutkeilen eines Generatorrotors beschrieben, wobei
das Verfahren folgende Schritte beinhaltet:
Positionieren eines
elektrisch leitenden Nuteinkeilelements innerhalb einer Vertiefung,
die in mindestens einem Nutfüllelement
ausgebildet ist, das innerhalb einer Rotornut angeordnet ist, wobei
das Nuteinkeilelement ein Federelement ist; und Positionieren von mindestens
zwei Endabschnitten elektrisch leitender Nutkeile, so dass sie die
Vertiefung überlagern
und mindestens an Teilabschnitten des Nuteinkeilelements aneinander
stoßen,
so dass ein elektrisch leitender Pfad von einem der mindestens zwei
Endabschnitte der Nutkeile durch das Nuteinkeilelement und zu einem
weiteren der mindestens zwei Endabschnitte der Nutkeile entsteht.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird weiterhin eine Nuteinkeilvorrichtung für das Einkeilen
einer Rotornut eines Generatorrotors bereitgestellt, wobei die Vorrichtung
Folgendes umfasst: Mindestens ein Nutfüllelement für die Positionierung innerhalb
einer Rotornut, wobei dieses mindestens eine Nutfüllelement
eine darin ausgebildete Vertiefung enthält; ein elektrisch leitendes Nuteinkeilelement, das
innerhalb der Vertiefung des mindestens einen Nutfüllelements
positioniert ist, wobei das Nuteinkeilelement ein Federelement ist;
mindestens zwei elektrisch leitende Nutkeile, die so positioniert
sind, dass ihre jeweiligen Endabschnitte das mindestens eine Nutfüllelement überlagern,
so dass ein elektrisch leitender Pfad von einem der entsprechenden
Endabschnitte der Nutkeile durch das Nuteinkeilelement und zu einem
weiteren der entsprechenden Endabschnitte der Nutkeile entsteht.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird weiterhin eine Nuteinkeilvorrichtung für das Einkeilen
einer Rotornut eines Generatorrotors bereitgestellt, wobei die Vorrichtung
Folgendes umfasst: Mindestens ein Nutfüllelement für die Positionierung innerhalb
einer Rotornut, wobei in dem mindestens einen Nutfüllelement
eine darin ausgebildete Vertiefung vorhanden ist; ein Nuteinkeilelement,
das innerhalb der Vertiefung des mindestens einen Nutfüllelements positioniert
ist, wobei das Nuteinkeilelement ein Federelement ist, das aus elektrisch
nichtleitendem Material besteht; mindestens zwei elektrisch leitende Nutkeile,
die so positioniert sind, dass ihre entsprechenden Endabschnitte
das mindestens eine Nutfüllelement überlagern,
so dass ein elektrisch leitender Pfad von einem der entsprechenden
Endabschnitte der Nutkeile durch lediglich Teilabschnitte der Rotornut
im Bereich um die Nutkeile und zu einem weiteren der entsprechenden
Endabschnitte der Nutkeile entsteht.
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Durch
die Ausbildung von Vertiefungen in den Nutfüllelementen wird bei der vorliegenden
Erfindung das vorhandene Material genutzt, das herkömmlicherweise
für das
Einkeilen einer Rotornut verwendet wird, ohne dass die Entwicklung
umfangreicher physikalischer Verbindungselemente oder anderer umfangreicher
Vorrichtungen erforderlich ist, deren Bearbeitung oder Herstellung
kostspielig sein kann, insbesondere bei geringen Stückzahlen.
Dadurch können
auch die Fertigungszeiten und die damit verbundenen Kosten erheblich
verringert werden. Durch einen Isolierkanal, der innerhalb der Vertiefung angeordnet
ist, wird auf vorteilhafte Weise eine Barriere bzw. ein Puffer vom
elektrisch leitfähigen
Pfad geschaffen, der durch die Nutkeile und das Nuteinkeilelement
gebildet wird, um die Nutkomponenten besser zu schützen.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Einige
der Merkmale, Vorteile und nützlichen Eigenschaften
der vorliegenden Erfindung sind bereits genannt worden, weitere
werden in den folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den begleitenden
Zeichnungen verdeutlicht, wobei:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer Nuteinkeilvorrichtung ist, die es
ermöglicht,
eine Generatornut gemäß der vorliegenden
Erfindung einzukeilen,
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2 eine
perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Einkeilelements
einer Generatornut-Einkeilvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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3 eine
seitliche Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines Einkeilelements
einer Generatornut-Einkeilvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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4 eine
Draufsicht auf eine Nuteinkeilvorrichtung vor der Positionierung
von Nutkeilen auf dieser gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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5 eine
seitliche Draufsicht auf eine Nuteinkeilvorrichtung ist, die für das Einkeilen
von Nutkomponenten gemäß der vorliegenden
Erfindung positioniert ist;
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6 eine
perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines Einkeilelements
einer Rotornut-Einkeilvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist; und
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7 eine
perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform eines Einkeilelements
einer Rotornut-Einkeilvorrichtung
gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt.
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Detaillierte
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Im
Folgenden wird die vorliegende Erfindung detaillierter mit Bezug
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung dargestellt sind. Diese Erfindung kann jedoch in vielen
verschiedenen Formen implementiert werden und sollte nicht als nur
auf die in diesem Dokument bildlich dargestellten Ausführungsformen
beschränkt
interpretiert werden. Diese bildlich dargestellten Ausführungsformen
werden vielmehr deshalb beigefügt,
um eine gründliche
und vollständige
Darstellung zu ermöglichen
und Fachleuten den Anwendungsbereich der Erfindung umfassend zu
verdeutlichen. Im gesamten Dokument entsprechen gleiche Bezugszeichen
gleichen Elementen, und Hochkommas und doppelte Hochkommas dienen
zur Benennung ähnlicher
Elemente in alternativen Ausführungsformen.
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Die 1 und 5 stellen
eine Nuteinkeilvorrichtung 10 sowie Verfahren zum Einkeilen von
Komponenten der Rotornut 18 gemäß der vorliegenden Erfindung
bildlich dar. Die Vorrichtung 10 enthält mindestens ein Nutfüllelement 12, 16 für die Positionierung
innerhalb einer Rotornut 18, was Fachleuten auf diesem
Gebiet wohl bekannt ist. Das Nutfüllelement 12, 16 verfügt über eine
darin ausgebildete Vertiefung 20. Wie in der Abbildung
dargestellt, ist die Vertiefung 20 vorzugsweise durch einen
Vertiefungsabschnitt in einem ersten Nutfüllelement 12, einen
Vertiefungsabschnitt in einem zweiten Nutfüllelement 16 und das
erste und zweite Nutfüllelement 12, 16 definiert,
deren entsprechende Enden aneinander liegen, so dass die Kombination
des ersten und zweiten Vertiefungsabschnitts dadurch die Vertiefung 20 definieren.
Ein elektrisch leitfähiges
Nuteinkeilelement 25, das z. B. vorzugsweise durch eine
Feder bereitgestellt wird, ist innerhalb der Vertiefung des Nutfüllelements
angeordnet. Die Feder 25 besteht aus einem Plattenmaterial,
das z. B. vorzugsweise aus einem Metallmaterial besteht, und weist
eine oder mehrere bogenförmige
Wellen auf. Beispiele solcher Federn 25, 25', 25'' sind in den drei Ausführungsformen
der 2–3 und 6–7 zu
sehen.
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Die
Vorrichtung 10 enthält
darüber
hinaus mindestens zwei elektrisch leitende Nutkeile 32, 36, die
vorzugsweise innerhalb von Keilrillen positioniert sind, die in
der seitlichen Peripherie der Nuten (siehe 1) ausgebildet
sind, so dass die jeweiligen Endabschnitte der Nutkeile zumindest
Teilabschnitte des in der Vertiefung 20 der Nutfüllelemente 12, 16 positionierten
Nuteinkeilelements 25 überlagern
und mit diesem in Kontakt stehen, so dass ein elektrisch leitfähiger Pfad
bereitgestellt wird von einem der entsprechenden Endabschnitte der
Nutkeile 32 durch das Nuteinkeilelement 25 und
zu einem weiteren der entsprechenden Endabschnitte der Nutkeile 36 (siehe 1 und 4–5).
Wie in 5 gezeigt, ist das Nuteinkeilelement 25 vorzugsweise
zumindest teilweise zusammengedrückt,
wenn die Keile 32 in der überlagernden Position angeordnet
oder in dieser angebracht werden. Die Vertiefung 20 innerhalb
der Füllelemente 12, 16 ist
zudem vorzugsweise tief genug im Hinblick auf die Höhe der Feder 25, wenn
diese in der Vertiefung 20 positioniert wird um zu verhindern,
dass die Feder 25 vollständig in eine flache Position
zusammengedrückt
wird, z. B. durch Rotationskräfte
während
des Betriebs des Generatorrotors.
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Mindestens
ein Isolierkanal 22 wird ferner vorzugsweise innerhalb
der Vertiefung 20 des mindestens einen Nutfüllelements 12, 16 positioniert,
um eine isolierte Barriere bzw. einen Puffer zum elektrisch leitfähigen Pfad
zu schaffen, der durch die Nutkeile 32, 36 und
das Nuteinkeilelement 25 entsteht und den Schutz der Nutkomponenten
verbessert. Ebenso wird der Isolierkanal 22 vorzugsweise
durch die Bildung eines Abschnitts eines isolierten Kanals in jedem
ersten und zweiten Vertiefungsabschnitt gebildet, so dass durch
die Kombination des ersten und zweiten Isolierabschnitts der Isolierkanal 22 definiert wird
(siehe 4–5).
Zudem liegt der mindestens eine Isolierkanal 22, der z.
B. aus einem Isoliermaterial wie Glas oder einem sonstigen Materialien bestehen
kann, die Fachleuten bekannt sind, in vorteilhafter Weise bevorzugt
unterhalb des Nuteinkeilelements 25 und kann bei Bedarf
ferner sogar entlang der seitlichen Peripherie von Vertiefung 20 positioniert
werden, und verläuft
bevorzugt in Längsrichtung entlang
der wesentlichen Länge
der gesamten Längsausdehnung
der Vertiefung 20. Die Feder 25 besteht vorzugsweise
aus einem Metallmaterial und wird bevorzugt so positioniert, dass
der Isolierkanal 22 überlagert
wird und sie in einem Abstand zur seitlichen Peripherie von Vertiefung 20 angeordnet
ist.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
kann die Feder 25 auch aus Glas oder einem anderen nichtleitenden
Material bestehen, so dass ein elektrischer Pfad dann nur zwischen
den Keilen 32, 36 durch die umgebenden Abschnitte
zur Verfügung steht,
z. B. durch Zähne
oder den Rotor. Zum Beispiel sind die Keile 32, 36 Strom
leitend und die umgebenden Abschnitte des Rotors Strom leitend,
so dass die umgebenden Abschnitte des Rotors den gewünschten
elektrisch leitfähigen
Pfad zwischen den Keilen 32, 36 bilden. Bei dieser
alternativen Ausführungsform
wäre der
Isolierkanal nicht erforderlich, da die Feder nichtleitend wäre. Die
erste Ausführungsform, bei
der die Feder 25 aus einem leitenden Material besteht,
wird jedoch in vielen Fällen
bevorzugt, da dieser zusätzliche
elektrische Pfad durch die Feder 25 zum anderen Keil oft
ebenfalls wünschenswert
ist.
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Wie
in den 1 und 4–5 bildlich
dargestellt, können
die Nutfüllelemente 12, 16 und
die Nutkeile 32, 36 auch ein oder mehrere Luft- bzw.
Belüftungsdurchgänge bzw.
darin ausgebildete Öffnungen 13, 14 enthalten,
um zu ermöglichen, dass
Luft oder andere Gase dort hindurch abgeleitet bzw. zirkulieren
können.
Die Entlüftungsöffnungen 13, 14 können sich
z. B. über
den gesamten Weg durch die Keile 32, 36 und die
Füllelemente 12, 16 erstrecken,
so dass die darin befindlichen Öffnungen axial
ausgerichtet sind oder sich alternativ bei Bedarf auch nur über die
Keile und teilweise die Füllelemente
erstrecken können.
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Wie
in den 1–7 bildlich
dargestellt, stellt die vorliegende Erfindung auch Methoden für das Einkeilen
einer Rotornut eines Energieerzeugungsgenerators bereit. Ein Verfahren
umfasst die Schritte der Positionierung eines elektrisch leitenden Nuteinkeilelements 25 innerhalb
einer Vertiefung 20, die in mindestens einem Nutfüllelement 12, 16 ausgebildet
ist, das innerhalb einer Rotornut 18 angeordnet ist, und
der Positionierung von mindestens zwei Endabschnitten der elektrisch
leitfähigen
Nutkeile 32, 36, so dass sie die Vertiefung 20 überlagern
und zumindest mit Teilen des Nuteinkeilelements 25 in Kontakt
stehen, so dass ein elektrisch leitfähiger Pfad von einem der mindestens
zwei Endabschnitte der Nutkeile 32, 36 durch das
Nuteinkeilelement 25 und zu einem weiteren der mindestens
zwei Endabschnitte der Nutkeile 32, 36 entsteht.
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Das
Verfahren kann auch beinhalten, mindestens einen Isolierkanal 22 innerhalb
der Vertiefung des mindestens einen Nutfüllelements 12, 16 bereitzustellen
und einen Abschnitt einer Vertiefung in einem ersten Nutfüllelement 12 auszubilden,
einen Abschnitt einer Vertiefung 20 in einem zweiten Nutfüllelement 16 auszubilden
und das erste und zweite Nutfüllelement 12, 16 so
zu positionieren, dass deren Enden so zueinander angeordnet sind,
dass die Kombination des ersten und zweiten Vertiefungsabschnitts
die Vertiefung 20 definiert. Der mindestens eine Isolierkanal 22 enthält ein Paar
im Allgemeinen paralleler und in einem gewissen Abstand angeordneter
Isolierkanäle,
die in Längsrichtung
entlang der wesentlichen Länge
der gesamten Längsausdehnung
zur Ausdehnung der Vertiefung 20 verlaufen. Das Verfahren
kann zusätzlich
die Positionierung des Nuteinkeilelements 25 zwischen dem
Isolierkanalpaar 22 umfassen.
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Weiterhin
kann das Verfahren zudem auch den Schritt enthalten, einen Isolierkanal 22 bereitzustellen
einschließlich
der Ausbildung eines Abschnitts eines Isolierkanals 22 in
jedem der ersten und zweiten Vertiefungsabschnitte, so dass die
Kombination des ersten und zweiten Abschnitts eines Isolierkanals 22 den
Isolierkanal 22 definiert.
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Das
Nuteinkeilelement 25 enthält vorzugsweise eine Feder 25,
und die Feder 25 ist vorzugsweise aus einem Plattenmaterial
ausgebildet und weist eine oder mehrere bogenförmige Wellen auf. Zudem ist
die Vertiefung 20 hinsichtlich der Höhe der Feder 25 tief
genug, dass bei deren Positionierung in der Vertiefung 20 verhindert
wird, dass die Feder 25 während des Betriebs des Rotors
vollständig
in eine flache Position zusammengedrückt wird. Die Feder 25 besteht
vorzugsweise aus Metallmaterial, und das Verfahren kann weiterhin
die Befestigung der mindestens zwei Endabschnitte der Nutkeile 32, 36 an dem
mindestens einen Nutfüllelement 12, 16 umfassen
(siehe 5).
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Ein
weiteres Einkeilverfahren für
eine Rotornut 18 umfasst vorzugsweise die Ausbildung einer Vertiefung 20 in
mindestens einem Nutfüllelement 12, 16,
die Positionierung des mindestens einen Nutfüllelements 12, 16 innerhalb
einer Rotornut 18, die Positionierung eines elektrisch
leitfähigen
Nuteinkeilelements innerhalb der Vertiefung 20, die in
mindestens einem Nutfüllelement 12, 16 ausgebildet
ist, und die Positionierung von mindestens zwei Endabschnitten elektrisch
leitender Nutkeile 32, 36, so dass sie die Vertiefung 20 so überlagern,
dass ein elektrisch leitfähiger
Pfad von einem der mindestens zwei Endabschnitte der Nutkeile 32, 36 durch
das Nuteinkeilelement 25 und zu einem weiteren der mindestens
zwei Endabschnitte der Nutkeile 32, 36 entsteht.
Dieses Verfahren kann auch mit Vorteil die anderen Schritte und/oder
Merkmale des anderen oben beschriebenen Verfahrens enthalten.
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Viele
Modifikationen und abweichende Ausführungsformen der Erfindung
wird ein Fachmann sich vorstellen können, nachdem er die Lehren,
die aus den vorstehenden Beschreibungen und zugehörigen Zeichnungen
hervorgehen, studiert hat. Daher ist es selbstverständlich,
dass die Erfindung nicht auf die offenbarten konkreten Ausführungsformen
beschränkt
ist, sondern der Geltungsbereich der nachfolgenden Patentansprüche weitere
Modifikationen und Ausführungsformen
umfasst.