NO158838B - Vaeskeavkjoelt rotor for en dynamoelektrisk maskin. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en væskeavkjølt rotor for en dynamoelektrisk maskin av den art som angitt i innledningen til krav 1.

Som følge av den økonomiske side ved fremstilling av elektrisk kraft er det i den senere tid gjort nærmere overvei-elser ved konstruksjonen av generatorer for å oppnå bedre driftsparametere og effektivitet.

Store vannkraftgeneratorer er vanligvis utstyrt med utpregede rotorpoler med viklinger som må avkjøles. Det er to for-skjellige systemer for kjøling, nemlig med luftventilasjon og væskesirkulasjon. Ved vaeskeavkjøling blir det i den hule viklingsleder sirkulert kjølevæske, eller kjølevæske blir sirkulert i en kanal i isolasjonen. Kjølingen bedrer varmebortføringen fra maskinen og ved store vannkraftgeneratorer er vaeskeavkjøling foretrukket fremfor luftavkjøling.

Luftavkjøling har minst to ulemper. For det første må det for sirkulasjon av luften være plass til dette mellom polene, mens de elektromagnetiske egenskaper ved maskinen tilsier minst mulig plass mellom polene. For det annet vil den elektriske isolasjon av lederne danne en begrensing av varmebortføringen fra lederen.

Anvendelse av innvending kjølte ledere har følgende fordeler. Plassen mellom de enkelte poler kan minskes, hvilket gir bedre plass for viklingslederen. Et større kobbertverrsnitt minsker energiseringstap som følge av mindre strømtetthet. Den sirkulerte kjølevæske krever mindre pumpekraft enn luftkjøling og er allikevel mere effektiv.

Et problem med innvendig kjølte viklingsledere er den hydrauliske tilslutning til lederne. Som oftest er vann-kraf tgeneratorer installert vertikalt, dvs. at generatoren er anordnet over en turbin. Hvis endene av lederne er ført ut på motsatte sider av rotoren, vil hydraulisk forbindelse med lederne f.eks. ved hjelp av kanaler 1 rotorakselen være vanskelig på den side av rotoren som vender mot turbinen som følge av maskinkonstruksjonen som også må ta hensyn til reparasjon og vedlikehold. Det er derfor ønskelig med en vikling hvor alle viklingsendene er ført ut på samme side av rotoren, nemlig på motsatt side av den som vender mot turbinen. Det er også ønskelig at alle viklingsendene er ført ut sammen til tilslutningen for å øke den mekaniske fasthet.

Ved konstruksjon av en polvikling hvis ender er ført ut på samme side av rotoren, er det tre ting som må tas i betrakt-ning. For det første må det være mulig med tilgang til alle lederne i en flergangsvikling, for det andre må fremstilling og bøyning av lederen til en vikling medføre deformering som endrer hulrommet. For det tredje er det ønskelig med optimal utnyttelse av plassen mellom polene for pakking av viklingene .

Pakking av viklingene er viktig, fordi jo mer effektivt viklingsarealet er utnyttet, jo flere ledere kan vikles på polen av en gitt dimensjon. Rotorens effektivitet kan økes ved å øke effektiviteten av viklingspakkingen rundt polen.

Den vanligste tverrsnittsform av lederen er rektangulær med stort sideforhold, opptil 1 til 16. En slik leder er nærmest båndformet. Ved maskiner med kjøling i lederne er det nødvendig med et sentralt hulrom i lederen. En leder kan formes til en vikling ved at den hule leder bøyes kantvis langs sin lengste dimensjon. Slik bøying kan forandre tverrsnittsarealet og tverrsnittet av hulrommet. I stedet for bøying og for å beholde tverrsnittsformen er viklingene på slike maskiner tidligere utført ved slagiodding av et antall kortere lengder av lederen. Slagloddforbindelsene kan imidlertid føre til kjølevæskelekkasje når den anvendes for innvendig kjølt leder.

Ved vanlige utpregede poler nødvendiggjør vikling på polene anvendelse av ledere med stort sideforhold for å minske uutnyttet plass som står til rådighet for viklingen. Når tykkelsen av lederens minste dimensjon øker, vil graden av uanvendt til rådighet stående viklingsplass også øke. En grunn til dette er at ved en kjent viklingsordning vil endene av viklingen bare delvis strekke seg rundt polen slik at de kan tilsluttes på et forhåndsbestemt sted. Jo tykkere lederens minste dimensjon er ved en slik vikling, jo mer uutnyttet plass står igjen og desto mindre blir viklings-tettheten.

Fra SE-patentskrift nr. 18153 er det kjent at viklingen består av en indre og ytre delvikling som er konsentrisk. Det skal også vises til DE-OS 2717058, DE-OS 2113179 og US-PS 3292025 og US-PS 3566171 som alle viser trekk ved dynamo-elektriske maskiner.

Foreliggende oppfinnelse har forøvrig til formål å løse problemet med internt avkjølt utpregede polrotorer ved å gi lett tilgang til utledningen til lederne. Ofte er vannkraftgeneratorer installert på en vertikal måte, dvs. med generatoren over en turbin. Dersom endene til lederne er bragt ut av motsatt side av rotoren, må hydraulisk indre forbindelse bli utført, f.eks. ved å føre rørledninger gjennom rotorakselen for å nå utledningen på siden av rotoren som vender mot turbinen. Dette blir spesielt vanskelig på grunn av nærheten av andre maskinkonstruksjoner. Dette kan også gi vanskelig-heter ved reparasjon og vedlikehold. Foreliggende oppfinnelse har derfor til formål å tilveiebringe en ny vikling ved hvilken alle utledningene er på samme side av rotoren, den motsatte siden fra den ene som vender mot turbinen.

Ovenfornevnte tilveiebringes ved hjelp av en væskeavkjølt rotor av den innledningsvis nevnte art hvis karakteristiske trekk fremgår av krav 1.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen fremgår av vinderkravene.

Oppfinnelsen skal nedenfor beskrives nærmere under henvisning til tegningene.

Fig. 1 viser delvis et radialt tverrsnitt gjennom en

vannkraftgenerator ifølge oppfinnelsen,

fig. 2 viser en pol med vikling ifølge oppfinnelsen, sett

forfra,

fig. 3 viser delvis polen på fig. 2 sett fra siden,

fig. 4 viser i perspektiv en pol og tilhørende delviklinger

i avstand fra hverandre,

fig. 5 viser de elektriske forbindelser med viklingen på en

pol,

fig. 6 viser skjematisk de hydraulikske forbindelser til viklingen på en pol, og

, fig. 7 viser delvis et radialt snitt gjennom rotorkjernen med en pol ifølge oppfinnelsen antydet med strek-prikkede linjer.

Vannkraftgeneratoren 10 på fig. 1 omfatter en stator 12 og en rotor 14 i et statorhus 16. Statoren 12 er adskilt fra rotoren 14 ved luftgap 18. Rotoren 14 omfatter en rotorvik-ling 20 rundt et antall poler 22 på et polhjul 24 i form av en ringformet lamellert kjerne, og en aksel 26.

Bare en pol 22 av de mange er vist på tegningen. Polen 22 har en "utpreget" form og er forsynt med en øvre 28 og en nedre 29 kappe. Selve polskoene består av lameller 30. Polkappene 28 og 29 har to funksjoner, nemlig sammenhold av lamellene 30, og fasthold av viklingen 20 for å hindre bevegelse av viklingene når polene utsettes for sentrifugal-kraft som følge av rotasjonen av rotoren. For å gjøre dette lettere er polene 22 forsynt med utragende flenser 32 på motsatte sider. Retningen radialt utover fra rotoraksen 27 er på tegningen betegnet r og den aksiale retningen er betegnet p. Viklingen 20 på polen 22 er viklet nedenfor flensen 32. Plassen mellom flensen 32 og polhjulet 24 er utnyttbar for viklingen 20. Dette er en av parameterene som bestemmer størrelsen og antallet vindinger i viklingen 20. En annen bestemmende parameter er graden av den varme som kan føres bort fra maskinen.

Avstanden mellom polene, er den plass som vanligvis står til rådighet ved kjøling med luft. Ifølge oppfinnelsen anvendes væskekjøling ved sirkulasjon av kjølevæske gjennom den sentralt, hule leder. Avstanden mellom polene behøver derfor ikke å være så stor som ved luftkjøling. Dette gir mer plass for polviklingen. Fig. 2, 3 og 4 viser en enkelt pol 22 med en vikling ifølge oppfinnelsen. Av fig. 4 fremgår at viklingen består av to delviklinger 38 og 42, også kalt indre og ytre spiralledere. Hver av delviklingene har et antall vindingslag a til h. Videre er det vist to vindinger 40A og 40B resp. 44A og 44B i hver vindingslag. Den indre delvikling 38 er viklet rundt polbenet 36 i motsatt retning av viklingen i den ytre delvikling. 42. Ved fremstilling av polen 22 ifølge oppfinnelsen er det mulig å vikle den indre delvikling 38 rundt selve polbenet 36 og deretter vikle den ytre delvikling 42 rundt den indre delvikling 38. Begge delviklingene har et parti som er bøyet skrått i retningen r. Da en liten del av den nedre vinding, nemlig vindingen a, i hver delvikling har et skrått parti og den nedre ende 45A resp. 46A rager vinkelrett ut fra kjernen. Ved den øvre ende rager enden 45B resp. 46B vinkelrett ut på sådan måte at endene 45A og 46A ligger parallelt i samme plan og endene 45B og 46B ligger parallelt i samme plan. Fig. 2 viser til venstre den ytre delvikling 42 og til høyre den indre delvikling 38. Her er også vist de skrå partier i hver vinding og åpning for tilkobling 48 i polkappen 28. Det skal bemerkes at lengden av det skrå parti bare er så stor som det er nødvendig for å gjøre plass til de utbøyede ender av viklingene, det vil i utførelseseksemplet si plass for fire ledere ved siden av hverandre. I den nedre ende av polen 22 er det anordnet svalehaleformede utragende deler 50 som passer inn i motsvarende spor i polhjulet 24. Fig. 3 viser en del av et radialt snitt gjennom polen 22 på fig. 2 som er montert på polhjulet 24. De to vindingslag 40A og 40B i den indre delvikling 38 er viklet rundt benet 36 til polkappen 28. Den ytre delvikling 42 med to vindinger 44A og 44B er viklet rundt den indre delvikling 38. Flensen 32 av toppen 34 av polkappen 28 strekker seg i retningen p for å sikre viklingen. Nedentil er endene 45A og 46A av delviklingene ført ut fra vindingslaget a. På toppen er endene 45B og 46B av delviklingene ført ut fra vindingslaget h. Fig. 5 viser de elektriske forbindelser mellom endene 45A, 45B, 46A og 46B. Delviklingene er viklet i motsatt retning. Den innerste leder 40A har en øvre ende 45B som via en forbindelse 31A er elektrisk forbundet med den innerste leder 44A ved enden 46B i den ytre delvikling 42, den ytre leder 40B er med enden 45B i den indre delvikling ved en forbindelse 33A forbundet med den ytre leder 44B ved enden 45B av den ytre delvikling 42. Den ytre leder 40B med enden 454A i den indre delvikling 38 er med forbindelsen 45 forbundet med den indre leder 44A ved enden 46A i den ytre delvikling 42, og de to siste ledere er ført ut fra polen 22. Det er klart at de enkelte ledere kan forbindes på annen måte. Fig. 6 viser den hydrauliske forbindelse av lederne ifølge utførelseseksemplet. De øverste lederender 45B og 46B er hydraulisk forbundet med hverandre ved forbindelser 31B og 33B på samme måte som de elektriske forbindelser som er vist på fig. 6. Ved en utførelsesform kan derfor de elektriske forbindelser 31A og 33A være de samme som danner den hydrauliske forbindelse 31B og 33B. Når det gjelder de nedre ender 45A og46A tjener endene 46A med lederne 44A og 44B som innløp 37 og 39, og endene 45A med lederne 40A og 40B tjener som

utløp 41, 43. Denne anordning av kjølingen gir kjøling av de to ledere i en hydraulisk bane. Naturligvis kan forbindelsen av kjølebanene hvis ønskelig også skje gjennom åpningen 48 via endene 45B og 46B, eller kjølebanene kan fordeles på fire parallelle baner, hvis dette er ønskelig.

Fig. 7 viser polhjulet 24 med tverrgående svalehalespor 52 som er tilpasset de svaleformede utragende partier 50 på polene. Mellom to til hverandre tilordnede svalehalespor 52 er det anordnet et utsparing 54. Dimensjonene av utsparingen 54 motsvarer åpningen 48 som beskrevet ovenfor og dybden kan være inntil 100 mm for et polhjul med en tykkelse på 500 mm.

I praksis kan lederne ifølge oppfinnelsen være av kobber med firkantet tverrsnitt og et sentralt hulrom. Slike ledere kan fremstilles ved ekstrudering med en sidelengde på 2,5 cm. Tverrsnittsarealet for en slik leder vil da være den samme som for den leder som er nevnt innledningsvis. En fordel ved denne utforming er at bøyning av lederen lettes under vikling. Oppfinnelsen tillater således anvendelse av mer kvadratisk form av lederne enn tidligere anvendt med samme tverrsnittsareal og meget lite av det til rådighet stående viklingsareal blir ubrukt.

Ved vikling av disse viklinger blir først den indre delvikling viklet med en første gruppe ledere i en første viklings-retning. Denne indre delvikling må kunne oppta en polpakke sentralt. Deretter vikles en ytre delvikling med en andre gruppe ledere i motsatt retning av den første vikleretning. Den ytre delvikling må være i stand til å motta sentralt den første delvikling. Under viklingen blir en del av hver vinding bøyet med et skrått parti svarende til en tykkelse av lederen. Det hele samles på polpakken ved først å anbringe den indre delvikling på polpakken og deretter den ytre delvikling på den indre delvikling slik at de første ender i hver delvikling ligger an i polkappen. Deretter lages forbindelse til den første ende av den indre delvikling gjennom en åpning for tilkobling i polkappen som allerede forklart.

Claims (5)

1. Væskeavkjølt rotor (14) for en dynamoelektrisk maskin (10), innbefattende et antall poler (22) hver med polkapper (28,29), og viklinger (20) med en konsentrisk Indre (38) og ytre (42) spiralleder, idet spiralen er viklet i felles motsatte retninger, og lederne har en sentral boring som strekker seg i lederens lengde, gjennom hvilken kjølemiddel sirkuleres for å avkjøle viklingen, og hver spiral innbefatter flere konsentriske lag, idet hvert lag innenfor en spiral innbefatter et forutbestemt antall spiralvindinger av lederen, hvor hver av viklingene innbefatter et skrått parti, som tilsvarer en ledertykkelse, idet det skrå partiet strekker seg inn på den tilliggende vindingen, for å danne åpninger for bunnutledninger og topputledninger, karakterisert ved at åpningene for å tilveiebringe utledninger, er på samme side av rotoren for både den indre og ytre spiralen slik at topputledningen (45B) til den indre spiralen (38) er tilliggende topputledningen (46B) til den ytre spiralen (42), at bunnledningen (45A) til den indre spiralen (38) er tilliggende bunnutledningen (46A) til den ytre spiralen (42), at topputledningene kan forbindes sammen, og at bunnledningene hver er forbindbare med ytre fluidforbindelser.

2. Væskeavkjølt rotor ifølge krav 1, karakterisert ved at muligheten for tilkobling blir tilveiebrakt ved hjelp av en åpning (48) ved toppen av polkappen (28) gjennom hvilken utledningene kan bli forbundet eller brakt ut fra polen (22).

3. Væskeavkjølt rotor ifølge krav 1, karakterisert ved at polen (22) innbefatter flere radiale nivåer og at de nedre utledningene og delen av en bunnvikling til hver av skruelinjeviklingene er lokalisert ved et første radialt nivå og de øvre utledningene og ingen deler av en toppvikling er lokalisert ved et siste radialt nivå.

4. Væskeavkjølt rotor ifølge et hvilket som helst av kravene 1-3,karakterisert ved at lederen er av et hovedsakelig firkantet tverrsnittsareal med en boring derigjennom.

5. Væskeavkjølt rotor ifølge krav 1, karakterisert ved at de indre skruelinjeviklingene er forbundet hydraulisk parallelt og elektrisk i serie med de ytre skruelinj eviklingene.