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Ständerwicklung mit direkter Leiterkühlung Die Erfindung betrifft
direkt gekühlte Ständerwicklungen von schnell laufenden elektrischen Maschinen großer
axialer Länge, insbesondere von Turbogeneratoren, bei welchen der Nutraum von Kühlkanälen
durchzogen ist. Die Kühlkanäle bestehen aus Festigkeitsgründen aus Metall. Üblicherweise
verwendet man Metall, welches einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand besitzt,
und umgibt die metallischen Kühlkanäle mit einer schwachen Isolation.
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Wenn bei einer derartigen Maschine an der Ständerwicklung ungewöhnlich
hohe Spannungen auftreten, sei es im Betrieb, sei es bei Überspannungsprüfungen
im Prüffeld, treten an den Enden der Kühlkanäle Koronaerscheinungen auf. Die Koronaentladungen
bedingen Ströme, welche die kapazitiv gekoppelten Potentiale der verschiedenen Kühlkanäle
stören und somit ein Durchschlagen der verhältnismäßig schwachen Isolation der einzelnen
Kanäle veranlassen.
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Diese durch die Koronaerscheinungen bedingten Schwierigkeiten werden
gemäß der Erfindung dadurch überwunden, daß die Enden der Kühlkanäle auf einer oder
beiden Stirnseiten der Maschine galvanisch
miteinander verbunden
sind. Zweckmäßig wird diese galvanische Verbindung hochohmig ausgeführt, beispielsweise
durch Verwendung von Halbleiterwiderständen.
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Zur Erläuterung der Erfindung ist in den Fig. I bis 3 ein Ausführungsbeispiel
dargestellt.
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Fig. I gibt einen seitlichen Längsschnitt der oberen Hälfte eines
wasserstoffgekühlten Turbogenerators wieder, in Fig. 2 ist ein vergrößerter Teilausschnitt
aus Fig. I gezeichnet, welcher die Enden der Kühlkanäle darstellt, Fig: 3 ist ein
vergrößerter Schnitt durch einen Nutleiter längs der Linie III-III der Fig. I.
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Der Ständer 4 des Turbogenerators der Fig. I weist eine zylindrische
Bohrung auf und ist von dem zylindrischen Läufer 5 durch den Luftspalt 6 getrennt.
Das Gehäuse 7 umschließt den Ständer 4 und den Läufer 5 gasdicht. Innerhalb des
Gehäuses 7 befindet sich Wasserstoff beispielsweise mit ungefähr 2 at Überdruck.
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Der zylindrische Kern Io des Ständers 4 ist mit einer Vielzahl von
Nuten II versehen, welche zur Aufnahme der Ständerwicklung I2 dienen. Die als Wechselstromwicklung
ausgeführte Ständerwicklung I2 besteht aus den innerhalb der Nuten II angeordneten
Nutleitern und den über den Kern Io hinausragenden Wickelköpfen. Die als Zweischichtwicklung
ausgeführte Ständerwicklung I2 ist aus Roebelstäben 2o aufgebaut, zwischen denen
die metallischen Kühlkanäle 2i liegen. Die Enden I3 dieser Kühlkanäle, welche in
Fig. 2 vergrößert dargestellt sind, ragen über die Wickelköpfe der Ständerwicklung
I2 hinaus.
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Der Läufer 5 besteht aus dem zylindrischen Läuferballen I4, welcher
mit Nuten I5 zur Aufnahme der Läuferwicklung I6 versehen ist. Die Leiter der als
Erregerwicklung für den Turbogenerator dienenden Läuferwicklung I6 sind ebenfalls
direkt gekühlt. Die Erregerwicklung I6 hat eine niedrigere Spannung als die Ständerwicklung
I2, so daß die direkt gekühlten Leiter der Erregerwicklung mit einer verhältnismäßig
schwachen Isolation versehen sind. Die unmittelbare Kühlung der Erregerwicklung
I6 durch umlaufenden Wasserstoff erfolgt in einer geeigneten Weise, beispielsweise
in der durch die Pfeile in der Fig. I angedeuteten Art.
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In dem in der Fig. I gezeigten Turbogenerator wird der unter Druck
stehende Wasserstoff sowohl zur Kühlung der Ständerwicklung als auch zur Kühlung
der Läuferwicklung verwendet. Der Wasserstoff zirkuliert hierbei in der durch die
Pfeile angedeuteten Weise und wird durch eine Kühlvorrichtung I7 gekühlt.
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Wie in Fig. 3 gezeigt, sind die beiden Spulenselten der Ständerwicklung
I2 jeweils aus zwei Roebelstäben 2o aufgebaut, zwischen denen die Kühlkanäle 2I
angeordnet sind. Die Kühlkanäle 2I sind aus einem Metall mit hohem spezifischem
elektrischem Widerstand und weisen einen rechteckigen Querschnitt auf. Die Kühlkanäle
2I sind jeweils mit einer dünnen Isolationsschicht 24 umgeben und ragen mit ihren
offenen Enden I3 über die Wickelköpfe der Ständerwicklung I2 hinaus. Jede der aus
zwei Roebelstäben 2o und fünf zu einem Bündel zusammengefaßten Kühlkanälen 2I bestehende
Schicht der Ständerwicklung I2 ist mit der Isolation 22 umgeben, welche gegenüber
der Einzelisolation der Kühlkanäle und der Roebelstäbe eine größere Stärke aufweist,
so daß sie als dielektrische Sperrwand wirkt. In den Fig. 2 und 3 sind die Schichtdicken
der Isolierhüllen nicht maßstäblich gezeichnet. Jeder Teilstab eines Roebelstabes
hat eine eigene schwache Isolation 23, welche etwa o,I5 bis o,I8 mm stark ist. Die
Durchschlagspannung dieser Isolation liegt bei etwa 6oo Volt. Die Isolationshülle
24 der einzelnen Kühlkanäle 2I ist etwa gleich stark ausgebildet. Die Roebelstäbe
20 sind mit einer leichten Bandumwicklung 25 umgeben. In gleicher Weise sind jeweils
fünf Kühlkanäle 2I mittels der leichten Bandumwicklung 26 zu einem Kühlkanalbündel
zusammengefaßt. Die Umwicklungen 25 und 26 erleichtern den Zusammenbau der Ständerwicklung
I2. Die sehr starken Isolationshüllen 22 müssen demgegenüber die hohe Spannung der
Roebelstäbe 2o mit Sicherheit aufnehmen, deren Nennspannung etwa Io ooo bis 24 ooo
Volt beträgt. Während einer kurzen Zeit müssen sie überdies beträchtlich höhere
Prüfspannungen aushalten. Da die einzelnen Kühlkanäle 2I voneinander und von den
Roebelstäben 2o isoliert sind, ergibt sich eine kapazitive Kopplung der Potentiale
dieser Kanäle mit der verhältnismäßig hohen Spannung der ihnen zugeordneten Leiter.
Bei der bisherigen Ausführung eines derartigen Turbogenerators sind also die Potentiale
der Kühlkanäle durch die erwähnte kapazitive Kopplung bestimmt und werden durch
den Streufluß über die Ständernuten I nur wenig beeinflußt.
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Durch die Rotation des Läufers wird zwischen den beiden Wickelköpfen
in jedem Teilleiter der einzelnen Roebelstäbe 2o sowie in jedem einzelnen Kühlkanal
2I eine Spannung von etwa Iooo Volt induziert. Infolge der Notenstreuung ist diese
Spannung aus dem Notengrund etwas niedriger als an der Notenöffnung. Diese Differenz
beträgt etwa Io bis 20 Volt. Durch die Verwendung von Roebelstäben gelingt es, Wirbelströme
in den Notleitern zu vermeiden. Die Wirbelstromverluste der Kühlkanäle 2I lassen
sich dadurch verringern, daß für diese Kühlkanäle ein Metall mit hohem spezifischem
elektrischem Widerstand gewählt wird. Dieses Metall muß allerdings eine mechanische
Festigkeit aufweisen, welche eine Verfestigung der äußeren Isolationshülle 22 zuläßt.
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Werden die Potentiale der Kühlkanäle 2I vorwiegend durch die erwähnte
kapazitive Kopplung bestimmt, so besteht bei hoher Spannung der Ständerwicklung
12 die Gefahr einer schädlichen Potentialverteilung an den Kühlkanälen, welche Koronaentladungen
an einem oder an beiden Enden der Kühlkanalbündel der Ober- bzw. Unterschicht zurr
Folge hat. Infolge der Koronaentladung entsteht ein Strom, dessen Größe den normalen
kapazitiven Kopplungsstrom übertrifft, so daß zwischen zwei benachbarten Kanälen
eine Spannung entstehen
kann, welche hoch genug ist, um die zwischen
diesen Kanälen liegende Isolation zu durchschlagen. Tritt dies an beiden Enden von
zwei benachbarten Kanälen auf, so ergibt sich über diese beiden Kanäle ein Wirbelstromweg,
so daß der durch die Isolation der einzelnen Kühlkanäle geschaffene Vorteil vernichtet
wird.
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Gemäß der Erfindung werden nunmehr die Kühlkanäle jedes Kanalbündels
mindestens an einer Stirnseite der Maschine galvanisch verbunden, so daß eine schädliche
Spannungsverteilung zwischen den Kanälen vermieden wird. Dadurch, daß diese galvanische
Verbindung hochohmig ausgeführt ist, werden ebenfalls die verhältnismäßig großen
Wirbelströme von- Kanal zu Kanal, welche pro Kühlkanalbündel beträchtliche Verluste
hervorrufen, erheblich vermindert.
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Wie in der Fig. 2 dargestellt, ragen die Kanalenden 13 über die Roebelstäbe
2o und die Isolationshülle 22 jeder Schicht der Ständerwicklung 12 hinaus und sind
innerhalb jeden Kanalbündels der Ober- bzw. Unterschicht durch das hochohmige Widerstandsmaterial
30 miteinander verbunden. Zweckmäßig wird als Widerstandsmaterial 30 ein Halbleitermaterial
verwendet. Auf diese Weise fließt innerhalb der Kühlkanäle 21 ein elektrischer Strom
in der Größenordnung von etwa i mA oder weniger, während ohne die Verwendung des
hochohmigen Materials 3o der kapazitive Kopplungsstrom etwa in der Größenordnung
von i µA liegt. Die galvanische Verbindung über das Halbleitermaterial 3o hat einen
Widerstand, welcher einerseits niedrig genug ist, um eine schädliche Potentialverteilung
zwischen benachbarten Kanälen zu verhindern und welcher andererseits hoch genug
ist, um auftretende Wirbelströme zu begrenzen, so daß keine Wirbelstromverluste
in den Kühlkanälen auftreten.
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Für die hochohmige Verbindung der Kühlkanalenden können alle geeigneten
Mittel verwendet werden. In dem in den Figuren dargestellten Auführungsbeispiel
ist die Isolationshülle 24 der Kühlkanäle 21 an den Kanalenden 13 in einer Länge
von etwa 2 bis 3 cm abgezogen. Der dadurch entstehende freie Raum ist mit einem
Halbleitermaterial ausgefüllt. Um das hochohmige Halbleitermaterial 30 in fester
Berührung mit den jeweiligen Kanälen 21 zu halten, ist das gesamte Kühlkanalbündel
durch die Bandumwicklung 26 fest verschnürt.