SE510474C2 - Anordning i en stator - Google Patents

Description

510 474 10 15 20 25 30 35 ledare består av ett antal parallellkopplade parter. De olika härvorna är vidare ihopkopplade på härvändarrra till en komplett lindning.

Bflblem I tidigare kända roterande elektriska maskiner utfördes tryckringarna vanligen som en homogen ring av stål. Ett sådant utförande hos tryckringen medför god forrnstabilitet och medger att stora axiella krafter kan överföras till statorkäman utan att tryckt-ingen deforrneras nämnvärt. Utförandet medför emellertid även betydande nackdelar.

Speciellt i stora roterande elektriska maskiner uppstår omkring statorhärvändama mycket stora magnetiska läckflöden under drift. Dessa läckflöden är särskilt besvärande vid låg reaktiv effekt och speciellt vid undermagnetiserad drift, dvs då den roterande elektriska maskinen drives som en generator som tar reaktiv effekt från det eldistributionsnät till vilken den är kopplad.

Läckflödet från statorhärvändarna söker sig axiellt in mot statoms ände och orsakar cirkulerande strömbanor bl.a. i tryckringama. Dessa strömbanor åstadkommer här virvelströrnsförluster och uppvärmning av tryckringen och av intilliggande statorkärna.

För att reducera ovanstående problem har föreslagits att utföra tryckringarna laminerade, med skikt av magnetiskt material varvat med skikt av elektriskt isolerande material. De strömbanor som uppstår i tryckringen begränsas att löpa i ett tunt skikt, mellan två omgivande skikt av elektriskt isolerande material. Härigenom reduceras de magnetiska förlusterna.

För att dessa laminerade tryckringar ska erhålla goda hållfasthetsegenskaper sarnmanfogas de olika plåtarna som ingåri tryckringen med lim. Vanligen utföres denna limning med en så kallad vakumlirnningsmetod. Resultatet blir en larninerad tryckring med förhållandevis goda magnetiska egenskaper och med en böjstyvhet som medger att tillräckligt stora axiella krafter kan överföras till statorkärnan utan att ringen deforrneras. Även om dessa laminerade tryckringar har bättre magnetiska egenskaper än de tidigare använda stålríngarna, leder de stora magnetiska läckflödena fortfarande till höga förluster i tryckringarna samt till uppvärmning av dessa. Den negativa inverkan av sådan uppvärmning har reducerats genom att kyla tryckringama. Enligt teknikens 20 25 30 35 510 4747- tidigare ståndpunkt har kylningen åstadkommits med hjälp av ett kylrnedium, vanligen vätgas, som tillföras kanaler som löper axiellt genom tryckringen.

Avgörande för hur god kyleffekt som erhålles med ett givet kylmedium är storleken hos den sammanlagda värmeväxlande ytan hos kylkanalema. Enligt teknikens tidigare ståndpunkt har emellertid den största möjliga kylytan varit starkt begränsad.

Kylkanalema utgöres, enligt denna rådande teknik av rörformiga kanaler, som är anordnade axiellt genom ringen. Varje kanals yta är härvid beroende av diarnetem och längden hos kanalen. Eftersom kanalens längd är given, lika med ringens längd, kan ytan hos en kanal ökas endast genom att öka kanalens diameter. Detta medför emellertid att även kanalens volym ökar. Härmed reduceras den totala mängden magnetiskt material i tryckt-ingen med motsvarande mängd, vilket i sin tur försämrar tryckringens magnetiska egenskaper. Kanalens yta ökar linjärt med ökad diameter, medan volymen ökar kvadratiskt med ökad diameter. Enkelt uttryck medför således varje ökning av kanalens diameter en större försämring beträffande tryckringens magnetiska egenskaper, än den förbättring som åstadkommes beträffande kyleffekten.

Enligt hittills rådande teknik har man därför varit tvungen att kraftigt begränsa den värmeväxlande ytan hos varje kanal.

Detta har varit möjligt endast genom att kyla generatorerna med vätgas under högt tryck, vanligen omkring 5 bar övertryck. Under detta tryck kan vätgas, jämfört med luft under atmosfarstryck och med samma temperaturstegring hos kylrnediet, bortfora ca sex gånger så stor törlustrnängd. Vätgas har dessutom vid detta höga tryck ett betydligt högre värmeövergångstal än luft Temperaturskillnaden mellan den kylda ytan och gasen blir därför, för samma förlusttäthet, avsevärt lägre med vätgas än med luft.

Kylning med n-ycksatt vätgas medför emellertid avsevärda problem. Till att börja med kräver vätgaskylning ett kylsystem, som är fullständigt avskilt från den omgivande atmosfären. Generatorn måste vidare vara anordnad att klara det övertryck som råder innanför generatorhöljet. Vätgasmolekylernas ringa storlek ställer dessutom exceptionella krav på tätheten hos ledningar, kopplingar och packningari systemet.

Kylsystemet är således komplicerat att konstruera och dyrt att tillverka samt underhålla Även om kylsystemet är väl konstruerat föreligger alltid risk för att vätgasen ska läcka ut. Sådana läckage föranlederi bästa fall endast driftavbrott hos den roterande sto 474 10 15 20 25 30 35 elektriska maskinen. Driftavbrotten kan innebära mycket stora ekonomiska förluster, exempelvis om den roterande elektriska maskinen är en lcraftverksgenerator med generatoreffekten 500 MVA eller mer. Förutom ekonomiska förluster kan emellertid vätgasläckage även orsaka väsentligt värre skada, eftersom gasen är explosiv.

Vätgaskylning av tryckringar vid statorändar hos roterande elektriska masldner medför således avsevärda problem vad gäller dyra och komplicerade kylsystem samt risk för kostsamma driftavbrott och farliga läckage. Ändamålet med föreliggande uppfinning är därför en anordning i en stator i en roterande elektrisk maskin, som kraftigt reducerar dessa problem genom att medge att :fyekfingama kyies med run som kyunedium.

Lösnin en Ändamålet uppnås enligt föreliggande uppfinning med en anordning av det i inledningen angivna slaget, som kännetecknas av att kanalerna är radiellt anordnade i tryckringen.

Genom att kylkanalema är radiellt anordnade kan deras värmeväxlande yta dimensioneras oberoende av volymen hos respektive kanal. Förlusten av rnagnetiskt material kan härvid hållas till ett minimum. Varje kanal kan utgöras av ett mellanrum mellan två invid varandra anordnade plåtskikt Härvid erhålles en kylkanal vars yta är lika med två gånger tryckrlngens tvärsnittsarea, men vars volym kan hållas godtyckligt liten genom att välja mellanrummet mellan plåtslcikten litet. I praktiken kräves naturligtvis ett visst mellanrum mellan plåtskikten, varvid varje kanal erhåller en viss minsta volym. Även i praktiken medger dock radiella kanaler enligt uppfinningen en avsevärd förbättring av förhållandet mellan värmeväxlande yta och förlorad mängd magnetiskt material jämfört med tidigare känd teknik. Uppfrnningen innebär en sådan förbättring av detta förhållande att den sammanlagda kylytan kan göras sex gånger större med bibehållna magnetiska egenskaper, jämfört med tidigare rådande teknik Härigenom har det även varit möjligt att ersätta det tidigare använda kylrnediet trycksatt vätgas med luft under atmosfarstryck. Som antytts ovan innebär detta avsevärda förenklingar och kostnadsbesparingar. Luftkylning innebär nämligen att kylsystemen kan utföras öppna och utan komplicerade trycksäkra avtätningar.

Samtliga problem som är förknippade med kylmedelsläckage elimineras fullständigt. 10 15 20 25 30 35 510 474 Kylkanalema kan enligt uppfinningen utgöras av hålrum, som begränsas av två intill varandra anordnade skikt av magnetiskt och/eller isolerande material samt av två långsträckta och mellan de båda skikten väsentligen radiellt anordnade distansorgan Distansorganen tillförsäkrar att ett lämpligt avstånd upprätthålles mellan de båda skikt som axiellt begränsar kanalen, även då uyclcringen utsättes för sammanhållande axiella krafter. De radiellt anordnade distansorganen fungerar även som styrorgan för kylmediet, så att ett laminärt flöde motverkas och ett, ur värmeöverföringssynpunkt fördelaktigt, turbulent flöde gyrmas.

Vidare kan åtminstone något av distansorganen utgöras av flera det ena efter det andra och i relation till tryckt-ingen, axiellt anordnade och sammanfogade skikt av magnetiskt material, mellan vilka skikt är anordnade skikt av elektriskt isolerande material. Distansorganen kan således vara utförda enligt samma princip som tryck- ringen i övrigt. Härvid erhålles mycket goda magnetiska egenskaper i tryckringens samtliga delar som ej är hålrum. Sålunda utförda distansorgan kan med fördel vara anordnade i de delar av tryckringen som är utsatta för de största magnetiska läckflödena. Eftersom läckflödena ofta är störst närmast statorändama, utformas med fördel de kylkanaler i tryckringen som är närmast statorändama med sådana laminerade distansorgan.

Några av distansorganen kan även vara utformade av väsentligen homogent, icke skiktat material. Det är således möjligt att, för de kylkanaler som är anordnade i områden som utsätts för mindre läckflöden, utforma distansorganen i mindre kostsamma material, såsom exempelvis vanligt kolstål eller omagnetiskt rostfritt austenitiskt stål. I och med att distansorganen kan utföras i väsentligen homogent material blir de även billigare och enklare att tillverka, eftersom färre arbetsmoment kräves. De båda sätten att utföra distansorganen medger att tryckringens magnetiska prestanda optimeras i förhållande till material- och tillverkningskostnaden för tryckringen.

Distansorganen kan vidare vara fast förbundna med de, på var sida om distansorganen, närmast anordnade skikten av magnetiskt material. De kan exempelvis vara svetsade, limmade eller både svetsade och limmade till de plåtar som är anordnade på var sida om respektive distansorgan. Härvid erhålles en tryckrin g, som förutom de axiella u nånn ' mi ..._-Mill H 510 474 10 15 20 25 30 35 sammanhållande krafterna även kan motstå sådana skjuvkrafter, som kan uppkomma på grund av elektromagnetiska fenomen i statom, speciellt vid transienta driftfall.

Anordníngen enligt uppfinningen kan vidare vara försedd med flera tvingförband, som är avsedda att pressa tryckringama i riktning mot varandra och som vart och ett innefattar ett elastiskt element, som är anordnad utanför statorkämanas periferi och en i var ände av det elastiska elementet anordnad skänkel som sträcker sig radíellt utmed de båda tryckringarnas från varandra vettande sidor. Enligt tidigare känd teknik har tryckringarna pressats i riktning mot varandra med hjälp av skruvförband, som utgöres av en dragskruv, som sträcker sig genom axiella hål genom tryckringarna och statorkärnan och som i sina ändar är försedda med muttrar. Genom att skruva muttrarna i riktning mot statorkärnan har de båda tryckringarna pressats i riktning mot varandra. Denna utformning innebär emellertid en avsevärd nackdel, eftersom den kräver att axiella genomgående hål är upptagna i tryckringar och statorkäma. Sådana hål innebär naturligtvis en avsevärd reduktion av magnetiskt material, vilket i sin tur orsakar försämrade magnetiska egenskaper hos hela statorn. Vidare medför de en risk för att kortslutning ska uppstå mellan plåtama om bultarnas isolering skadas.

Tvingförbandet enligt uppfinningen är helt och hållet anordnat utanför statorkärnan och tryckringama Härvid erhålles god sammanhållande förmåga utan att statorns magnetiska egenskaper försämras.

Fi r En exernpliñerande utföringsforrn av uppfinningen beslnivs nedan i anslutning till bifogade ritningar.

Figur l visar en schematisk sidovy, delvis uppskuren, av en anordning enligt en utföringsform av uppfinningen.

Figur 2 visar en perspektivvy av en del av anordnigen i figur 1.

Figur 3 visar ett tvärsnitt genom en del av en statorplåt.

Figur 4 visar en planvy av en statorplåt med distansorgan . 10 15 20 25 30 35 510 474V Figur 5 visar en ändvy i perspektiv av ett distansorgan.

Figur 6 visar en ändvy i perspektiv av ett annat distansorgan.

Figur 7 visar ett tvärsnitt genom en del av en tryckríng enligt en utföringsform av uppfinningen.

Figurema 8, 9 och 10 visari förstorad skala varsin del av den i figur 7 visade tryckringen.

I figur 1 visas en del av en roterande elektrisk maskin, närmare bestämt av en generator. Generatorn innefattar en stator med en cylindrisk statorkärna 1. (Statom innefattar även andra organ så som lindning och stomme. Dessa är för tydlighetens skull ej visade). Vid var ände av statorkärnan är en tryckring 2 anordnad. Centralt genom statorkärnan 1 och tryckringama 2 löper ett axíellt hål 3, genom vilket generatorns rotor (ej visad) sträcker sig.

Figur 2 visar en av de i figur l visade tryckringarna 2 meri detalj. Tryckt-ingen 2 är delvis uppbyggd av ett stort antal statorplåtar 5. I figur 3 framgår att varje statorplåt 5 består av en kärna Sa och ett ytskikt 5b. Kärnan Sa utgöres av ett magnetiskt material exempelvis kisellegerad elplåt och ytskiktet utgöres av en elektriskt isolerande ytbeläggning, exempelvis fenolbaserad elplåtlack med fyllmadel.

I figur 4 framgår att den generella formen hos en statorplåt 5 utgör en sektor av en ring. Då flera statorplåtar lägges bredvid varandra bildas således en ring. Tryck- ringen 2, i figur 2, innefattar åtskilliga axiellt anordnade lager av sådana ringar. På så vis innefattar tryckt-ingen 2 flera axiellt anordnade ringformiga skikt av magnetiskt material Sa. Mellan dessa skikt Sa är anordnade skikt Sb av isolerande material. Det isolerande skiktet utgöres alltså av statorplåtarnas S ytbeläggning Sb.

I figur 2 framgår vidare att tryckiingen 2 har en generell ringfonn och att flera spår 6, som löper axiellt, är anordnade radiellt från tryckringens inre mantelyta 3. I dessa axiella spår 6 är statoms lindningshärvor (ej visade) anordnade. Tryckrin gen 2 är vidare vid sin yttre mantelyta 7 försedd med axiellt löpande urtagningar 8. De axiella urtagningarna 8 är avsedda att samverka med motsvarande utskjutande element (ej visade) i en omgivande ram (ej visad) för fixering av statorn. 510 474 10 15 20 25 30 35 Av figur 2 (se även figur 7) framgår vidare att den ändyta 9 hos tryckt-ingen 2, som vetter bort från statorkäman 1 har en generellt konisk form. Denna ändyta 9 är uppdelad i fyra sektioner med olika lutning i förhållande till ett radiellt plan. Den yttersta sektionen 9a är parallell med radialplanet. Den innanför den yttersta sektionen 9a anordnade sektionen 9b uppvisar en vinkel på omkring 15° till radialplanet. De två nästkommande sektionerna 9c och 9d uppvisar vinklar på omkring 35° repektive 70° till radialplanet. Innanför sektionen 9d är en sektion 9e anordnad. Denna sektion 9d är vinkelrät mot radielplanet och utgör således tryckringens inre cylindriska mantelyta Sektionernas 9b, 9c, 9d olika vinklar till radialplanet åstadkommes genom att de inre ändama hos de i respektive sektion ingående statorplåtama 5 är radiellt förskjutna i förhållande till varandra (se figur 8, 9, 10). På så vis uppvisar statorplåtama 5 ide olika sektionerna 9a, 9b, 9c, 9d olika stor fri yta. I figurema 8, 9 och 10 framgår att varje statorplåt 5 i sektion 9b uppvisar en större fri yta än statorplåtama 5 i sektion 9c, som i sin tur uppvisar större fri yta än de i sektion 9d. Med denna koniska utformning av tryckringen 2 erhålles en lämplig fördelning av de stora magnetiska läckflöden som råder vid statoränden under drift, speciellt vid undermagnetiserad drift. lfigur 2 och 7 visas vidare de radiella kylkanalema 10. I figur 2 antyds även med flödespilar hur kylmediet, som utgöres av luft, strömmar ut ur kylkanalema i tryckringen 2. Det bör noteras att kylmediet även kan drivas i motsatt riktning, dvs radiellt utifrån och in genom kanalema 10. Kylkanalema 10 är anordnade radiellt i tio olika lager hos tryckringen 2. Varje kylkanal 10 bildas av ett mellanrum mellan två, det ena efter det andra, axiellt anordnade ringar av statorplåtar 5 och mellan två distans- organ 11. I figur 4 visas en statorplåt 5 på vilken flera distansorgan 11 är radiellt anordnade. Distansorganen 11 utgöres av långsträckta element och är radiellt anordnade mellan två intill varandra anordnade skikt av statorplåtar 5.

Distansorganen 11 kan, som i figur 5, vara uppbyggda av ett flertal på varandra limrnande långsträckta skivor av samma material och ytbeläggning som statorplåtama 5. Dessa laminerade distansorgan 11a är således uppbyggda på samma sätt som tryckringen 2 i övrigt, med flera skikt magnetiskt material varvat med skikt av elektriskt isolerande beläggning. De laminerade distansorganen 11a erhåller därmed samma goda magnetiska egenskaper som tryckringen 2 i övrigt. I de laminerade distansorganen 11a kan de olika statorplåtarnas 5 inre ändar vara förskjutna i förhållande till varandra. På så vis erhålles en viss lutning åt den fria ändyta hos 10 15 20 25 30 35 510 474 dístansorganen 11a som exponeras av de magnetiska läckflödena. Normalt utföres denna lutning hos distansorganens 11a ändytor så att de överensstämmer med lutningen hos den sektion 9b, 9c, 9d av tryckringen 2 som den ingår i. Denna laminerade utfbrmriing av dístansorganen lla användes vid de kylkanaler 10 som är anordnade i tryckringens yttre skikt, 9b, 9c, 9d.

Distansorganen ll kan även, som i figur 6, utgöras av ett enda väsentligen homogent element llb. Dessa icke-laminerade distansorgan llb utföres exempelvis i omagnetiskt rostfritt austenitiskt kolstål. De icke-larninerade dístansorganen llb, som är billigare än de laminerade dístansorganen lla, är anordnade i tryckringens inre sektion 9e.

Såväl de laminerade lla som de icke-laminerade l lb dístansorganen är limmande och svetsade till de angränsande statorplåtama 5. Härvid erhålles den viidstyvhet hos tryckringen som erfodras för att ta upp de skjuvkrafter som kan uppstå i statom, speciellt vid transienta driftfall. Alternativt kan dístansorganen lla, llb antingen enbart limmas eller svetsas fast vid de angränsadnde statorplåtama 5.

För att erhålla god styvhet i hela tryckringen 2 är denna vakuumlimmad med ett starkt epoxylim. För sammanhållning av statorkäman 1 och tryckringarna 2 pressas de båda tryckringarna 2 i riktning mot varandra med hjälp av flera tvingförband 4. Varje tvingförband 4 innefattar ett långsträckt elastiskt element i form av en dragbult 4a, som är anordnad axiellt utmed statorkärnans 1 och tryckringarnas 2 periferi. Vid dragbultens 4a båda ändar är en skänke14b med ett genom gående hål trädd på dragbulten. Skänkeln 4b ligger an mot respektive tryckrings 2 ändyta och sträcker sig radiellt in mot statoms mitt. Axiellt utanför varje skänkel 4b är en mutter 4c gängad på den genom skänkeln utskjutande änden av dragbulten 4a Genom att draga åt de mot varandra stående muttrama 4c uppkommer axiella krafter som pressar tryckringarna 2 i riktning mot varandra. Härigenom erhåller statorkärnan 1 med tryckringar 2 god förmåga att motstå de skjuvkrafter som kan uppstå i statorn vid svåra driftfall.

Vid drift av generatom tillföres kylluft utifrån axiellt i riktning mot statoms båda ändpanier med tryckringarna 2. Luften kan tillföras exempelvis med hjälp av separata fläktar eller med fläktblad (ej visade), som är anordnade på rotoraxeln (ej visad). Då kylluften träffar tryckringen 2 avleds den och fördelas. Den största delen av kylluften leds mot tryckringens 2 centrum och passerar in mellan tryckringen 2 och rotorn.

Samtidigt sker en fördelning av luften utmed hela tryckringen 2. Härvid fördelas :w inn lm 510 474 kylluften så att ett lämpligt flöde uppstår i varje radiellt anordnad kylkanal 10 genom tryckringen 2. I kylkanalerna 10 sker värmeväxling utmed de ytor hos statorplåtarna 5 och distansorganen lla, llb som avgränsar kylkanalema 10. Tack vare den radiella utformningen av kylkanalerna 10, blir den totala värmeväxlande ytan stor i förhållande till den mängd magnetiskt material som går förlorad pga kanalerna. Därför är det möjligt att utnyttja vanlig luft under atmosfärstryck som kylmedium.

Det är naturligtvis möjligt att utnyttja uppfinningen även med andra typer av kylmedium, exempelvis vätgas, vatten eller olja. Vad beträffar tryckringens geometriska utformning med de olika sektionernas lutningsvinklar i förhållande till radialplanet, kan denna nattirligtvis varieras med hänsyn till speciella krav.

Dragbultarna i tvingförbanden kan ersättas av andra eleastíska element såsom spiral- eller tallriksfjädrar.

Claims (5)

10 15 20 25 30 510 474 11 Patentkrav

1. Anordning i en stator i en roterande elektrisk maskin, innefattande en vid var ände av en statorkärna (1) anordnad tryckring (2) med flera, det ena efier det andra, axiellt anordnade och sammanfogade skikt av magnetiskt material (Sa), mellan vilka skikt (Sa) är anordnat skikt av elektriskt isolerande material (Sb), i vilken tryckring (2) kanaler (10) för genomströmning av ett kylmedium är anordnade, kännetecknad av att kanalerna ( 10) är väsentligen radiellt anordnade i tryckringen (2), att de innefattar hålrum, som begränsas av två intill varandra anordnade skikt av magnetiskt (Sa) och/ eller elektriskt isolerande (Sb) material samt av två långsträckta och mellan de båda skikten väsentligen radiellt anordnade distansorgan (1 la, llb) och att åtminstone något av distansorganen (1 la) utgöres av flera, det ena efter det andra, i relation till tryckringen, axiellt anordnade och sarnmanfogade skikt av magnetiskt material (Sa), mellan vilka skikt är anordnade skikt av elektriskt isolerande material (5b).

2. Anordning enligt något av krav 1, kännetecknad av att åtminstone något av distansorganen(1lb) utgöres av väsentligen homogent, icke skiktat material.

3. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att åtminstone något av distansorganen (1 la, llb) är fast förbundet med de, på var sida om distansorganet (1 la, llb), närmast anordnade skikten av magnetiskt (Sa) eller isolerande (Sb) material, för att möjliggöra övrföring av skjuvkrañer mellan skikten (Sa, 5b).

4. Anordning enligt krav 3, kännetecknad av att distansorganen (1 la, llb) är svetsade och / eller lirnmade till de, på var sida om distansorganen (1 la, llb), närmast anordnade skikten (Sa, 5b).

5. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av flera tving- förband (4), som är avsedda att pressa tryckringama (2) mot i riktning mot varandra och som vart och ett innefattar ett elastiskt element (4a), som är anordnad utanför statorkärnanas (1) periferi samt en i var ände av det elestiska elementet (4a) anordnad skänkel (4b), som sträcker sig radiellt utmed de båda tryckringamas (2) från varandra vettande sidor.