Flüssigkeitsgekühlte Ständerwicklung für elektrische Maschinen Die Erfindung bezieht sich auf eine flüssigkeits gekühlte Ständerwicklung für elektrische Maschinen, insbesondere Turbogeneratoren.
Es ist bekannt, der artige Wicklungen so aufzubauen, dass die aus hohlen Teilleitern unter Verdrillung derselben (Röbel-Trans- position) aufgebauten Leiterstäbe an jedem Ende durch die Kühlmittelführung ermöglichende und zugleich die elektrische Schaltung bewirkende Kappen aus Metall verbunden sind, wobei letztere mit den Teilleitern abge dichtet, verlötet oder verschweisst sind und mit Kanälen bzw. Stutzen zur Leitung des flüssigen Kühlmittels, z. B. von Wasser oder Öl, versehen sind. Eine derartige Anordnung ist jedoch in verschiedener Beziehung un günstig.
Sie bedingt eine verhältnismässig grosse Anzahl von Verbindungskappen und Leitungsanschlüssen, die wegen der verhältnismässig beschränkten Raumver hältnisse im Wickelkopfraum nur sehr schwierig unter zubringen sind. Ferner ergeben sich bei einer solchen Wicklungsausbildung grosse Zusatzverluste, wobei ins Gewicht fällt, dass wegen der durch die Flüssigkeits kühlung wesentlich erhöhten Strombelastbarkeit die Stirnstreufelder der Maschine bedeutend vergrössert sind. Infolgedessen sind auch die durch die Stirnstreu felder hervorgerufenen Zusatzverluste durch Kurz schlussströme wesentlich erhöht. Auch ergibt die An wendung der zahlreichen Verbindungskappen, die dem Streufeld ausgesetzt sind, zu einer Steigerung der Ver luste Veranlassung.
Die Erfindung behandelt die Aufgabe, eine wesent lich verbesserte flüssigkeitsgekühlte Wicklung unter Verwendung von verdrillten Leiterstäben (mit Röbel- Transposition) zu schaffen, bei der die erwähnten Nachteile vermieden sind.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die einzelnen Hohlteilleiter der in sich verdrillten Wicklungsstäbe über mehrere Win dungen umfassende Wicklungsabschnitte unter gegen- seitiger Aufrechterhaltung der Isolation und Durch führung der Kühlkanäle in Reihe miteinander geschal tet sind und lediglich an den Enden der Wicklungs abschnitte durch die zur Schaltung und Kühlmittel führung dienenden Kappen leitend miteinander ver bunden sind.
Gemäss der weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann noch eine wesentliche weitere Verbesserung der artiger Wicklungen in der Weise erzielt werden, dass die innerhalb der Wicklungsabschnitte durchgehend verbundenen und die durchgehende Kühlmittelführung ermöglichenden Teilleiter an einer Verbindungsstelle in den Stirnköpfen derart gegeneinander geschaltet werden, dass eine vollkommene Aufhebung der in den Leiterstranghälften von den Stirnstreufeldern hervor gerufenen unausgeglichenen Streufeldspannungen er zielt wird.
Im folgenden soll die Erfindung näher an Hand zweier Ausführungsbeispiele erläutert werden, die in den Figuren der Zeichnung erläutert sind.
Fig. 1 gibt in Abwicklung schematisch einen Teil einer Wechselstrommaschine, und zwar das Eisenblech- paket mit einer erfindungsgemäss ausgebildeten Wick lung, wieder.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen Leiter stab der Wicklung gemäss Fig. 1.
Fig. 3 der Zeichnung zeigt schematisch die Anord nung und Schaltung der Teilleiter innerhalb eines Wicklungsabschnittes.
In Fig. 4 ist im einzelnen die Verbindung der Hohl teilleiter der Stäbe an den Verbindungsstellen innerhalb des Wicklungsabschnittes wiedergegeben.
Fig. 5 zeigt ferner im Schnitt die Ausbildung einer Verbindungskappe an den Verbindungs- und Anschluss- stellen der Wicklung. Die Fig. 6 und 7 beziehen sich auf ein weiteres Aus führungsbeispiel und veranschaulichen näher die Aus bildung einer erfindungsgemässen Wicklung mit einer innerhalb der Wicklungsabschnitte vorgesehenen Ge genschaltung der Teilleiter.
Fig.8 schliesslich gibt noch perspektivisch eine Schleife wieder, mittels welcher die Teilleiterstränge innerhalb der Wicklungsabschnitte gegeneinander ge schaltet werden.
Fig. 9 zeigt die Teilleiterverbindung in der Schleife. Fig. 1 zeigt schematisch in Abwicklung den Eisen körper einer elektrischen Maschine, z. B. eines Wech- selstromgenerators, mit einem Wicklungsstrang (Pha senstrang). Zur Vereinfachung sind die weiteren Wick lungsstränge, wie sie bei Mehrphasenmaschinen erfor derlich sind, nicht dargestellt. Die Wicklung, welche als Schleifenwicklung ausgebildet ist, wird hierbei durch die in Reihe geschalteten Windungen 1 bis 4 gebildet. Zur Vereinfachung sind nur vier Windungen angedeutet.
Selbstverständlich kann jedoch eine grössere Windungs- zahl je Phasenstrang vorhanden sein. Die einzelnen Windungen sind aus den Oberstäben<B>10</B> bis 40 und Unterstäben 1L und 4u zusammengesetzt. Die am Maschinenumfang versetzten Stäbe sind in der Reihen folge 10-1 u - 2 0-2u <B>......</B> 4o-4u verbunden.
Die Bezeichnungen Oberstäbe und Unterstäbe geben die Lage der Stäbe in den Nuten an, d. h. ob ein Stab in dem unteren oder oberen Teil der Nut liegt. In der Figur sind noch mit e der Eisenkörper der Ma schine und mit n die Nuten, in welchen die Leiterstäbe liegen, bezeichnet. Jeder Leiterstab besteht aus einem geraden, in den Nuten des Eisenkörpers liegenden Stabteil sowie dem abgebogenen Wickelkopf- oder Stirnkopfteil. An den Enden der Stirnkopfteile sind die Stäbe leitend miteinander verbunden.
Die einzelnen Ober- und Unterstäbe der Leiter haben einen Querschnitt gemäss Fig. 2. Sie sind aus einzelnen hohlen Teilleitern 1 zusammengesetzt, die in zwei Reihen nebeneinanderliegend angeordnet sind und innerhalb des in den Nuten der Maschine liegenden geraden Teiles der Stäbe nach dem Röbelprinzip ver drillt sind, um über die Stablänge innerhalb des Eisen körpers der Maschine die Erzeugung ungleicher Zu satzspannungen durch das veränderliche Nutenstreu- feld und damit die hierdurch bedingten Zusatzverluste zu verhindern. h ist die den zusammengesetzten Stab umgebende Isolierhülse.
Die erfindungsgemässe Wicklung zeichnet sich nun dadurch aus, dass die Wicklung bzw. jeder Phasenstrang in eine Anzahl gleicher, mehrere Windungen umfassen der Wicklungs- oder Kühlabschnitte unterteilt ist. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel bilden die Windungen 1 und 2 sowie 3 und 4 je einen Wicklungs- oder Kühl abschnitt A bzw. B, wobei die Kühlmittelzu- und -ableitung bei<I>a</I> und<I>b</I> bzw.<I>b</I> und c erfolgt.
Nur an diesen Stellen sind die Hohlleiter innerhalb des Wick lungsstranges durch gleichzeitig die Kühlmittelführung ermöglichende metallische Verbindungskappen, welche über die Enden der Stirnkopfteile der zusammenge schalteten Stäbe geschoben sind, leitend verbunden. Innerhalb jedes Wicklungs- oder Kühlabschnittes sind im übrigen die hohen Teilleiter jedes Stabes unter Auf rechterhaltung der Isolierung zur Vermeidung einer Kurzschlussverbindung durch Löten oder Schweissen verbunden.
Fig. 3 der Zeichnung gibt schematisch genauer die Anordnung und Schaltung der Teilleiter des aus den Windungen 1 und 2 gebildeten Wicklungsabschnittes A wieder. Zur Vereinfachung ist angenommen, dass jeder der die Windungen 1 und 2 bildenden Leiterstäbe 10, 1u bzw. 20, 2u aus fünf Teilleitern<B>101</B> bis 105, 1L1 bis 1u5 bzw.
201 bis 205 und 2U1 bis 2L5 zusammengesetzt ist, die innerhalb der Stäbe in üblicher Weise in zwei Teilleiterreihen angeordnet und nach dem Röbel- prinzip verdrillt sind.<I>ä</I> und<I>b'</I> bedeuten in dieser Figur die Verbindungskappen, über welche das Kühl mittel dem aus den Windungen 1 und 2 bestehenden Wicklungsabschnitt zu- und abgeleitet wird. Die Kappe b' dient gleichzeitig zur Schaltverbindung mit dem angrenzenden, aus den Windungen 3 und 4 beste henden Wicklungsabschnitt (vgl. Fig. 1) sowie der Kühlmittelableitung von diesem Abschnitt.
Fig. 4 der Zeichnung veranschaulicht im einzelnen noch die Verbindung der Hohlteil der Stäbe, an den in Fig. 3 mit x bezeichneten Verbindungsstellen. Die in einer Radialebene gruppenweise mit verschiedenem Abstand von der Maschinenachse angeordneten Enden der Leiterstäbe 1 o1 bis 1 o5 bzw. 1 U1 bis 1 u5 sind hierbei durch die U-förmigen Rohrverbinder r1 bis r5 mit ver schiedener Weite verbunden.
Die Rohrverbinder sind mit den Teilleitern durch Verlötung oderVerschweissung an einem überlappenden Teil verbunden.
Fig. 5 gibt ferner noch im Schnitt die Ausbildung einer Verbindungskappe, beispielsweise an der An schlussstelle b der Wicklung wieder. Ober- und Unter stab 3 o bzw. 2U sind in der Kappe 11 zusammengefasst und abgedichtet leitend mit der Kappe verbunden. Zur Verbesserung der elektrischen Verbindung kann noch eine zusätzliche Schalthülse 10 vorhanden sein, 12 bedeutet einen innerhalb der Kappe liegenden Kühl mittelführungsraum, 13 einen Stutzen zum Anschluss einer z. B. aus Isoliermaterial bestehenden Flüssigkeits zuleitung.
Wie durch Pfeile angedeutet ist, kann aus der Zuleitung 14 durch den Kühlmittelführungsraum 12 den einzelnen Hohlteilleitern das flüssige Kühlmittel zuströmen, wobei sämtliche Teilleiter durch die Kappe sowie durch die gegebenenfalls zur Kontaktverbesse rung vorgesehene Schalthülse 10 kurzgeschlossen sind.
Die gezeigte Kombination von Kühlmittelkreisen mit der durchgehenden Schaltung der Teilleiter der mit einer Röbel-Transposition ausgeführten Leiterstäbe innerhalb begrenzter Abschnitte der Wicklung bzw. Wicklungsstränge ermöglicht, eine besonders günstige Wicklungsausbildung zu erzielen. Die Zahl der An schlusskappen und damit der Kühlmittelleitungen kann wirksam herabgesetzt werden, wobei Kühlmittel erwärmung und Druckabfall innerhalb der Rohr kanäle in niedrigen Grenzen bleiben.
Die Reihenschal tung der Hohlteilleiter innerhalb der Wicklungs- oder Kühlabschnitte hat gleichzeitig zur Folge, dass auch durch die Stirnstreufelder keine grösseren Zusatz verluste hervorgerufen werden, weil die Zahl der kurzschliessenden Kappen verringert ist und weil die von den Stirnstreufeldern durch Induktion von Zusatz spannungen hervorgerufenen Kurzschluss- oder Schlei- fenströme innerhalb der in den Wicklungsabschnitten durch die kurzschliessenden Verbindungskappen an den Enden gebildeten Schleifen bedeutend herabgerriindert werden.
Dies ist dadurch bedingt, dass durch die Reihenschaltung der hohlen Teilleiter der Ohmsche Widerstand in den entstehenden Leiterschleifen in grösserem Masse anwächst als die geometrische Summe der von den Stirnstreufeldern hervorgerufenen Zusatz spannungen in den versetzten und in bezug auf das Streufeld eine verschiedene Lage einnehmenden Teil leiter. Infolgedessen tritt eine wesentliche Herabsetzung der Amplitude der noch auftretenden Kurzschluss- oder Schleifenströme ein, wodurch wegen der quadratischen Abhängigkeit der Verluste von den Strömen die von den Stirnstreufeldern hervorgerufenen Zusatzverluste erheblich herabgesetzt werden.
Von Bedeutung ist in diesem Zusammenhang, dass durch die erfindungs gemässe Schaltung der vollkommene Ausgleich der Nutenstreufeldspangen durch die Röbel-Transposition nicht beeinträchtigt wird.
Wie hervorgehoben, kann noch eine wesentliche Verbesserung der beschriebenen Wicklung dadurch erzielt werden, dass innerhalb der in den Wicklungs abschnitten durchgeschalteten Teilleiter eine Gegen schaltung der Teilleiter bezüglich der Stirnstreufeld- spannungen herbeigeführt wird.
Fig. 6 und 7 veranschaulichen näher die Ausbildung einer derartigen Wicklung. Wie Fig. 6 zeigt - welche im übrigen der oben näher erläuterten Fig. 1 entspricht, dass eine nähere Erläuterung entfallen kann - sind zwischen den Windungen der zwischen den Anschlüs sen<I>a, b,</I> c usw. angeordneten Wicklungsabschnitten Gegenschaltungsschleifen 8 angeordnet. Durch diese Schleifen werden, wie dies Fig. 7 näher veranschaulicht, in der Mitte der Wicklungsabschnitte, z.
B. zwischen den Windungen 1 und 2 die Teilleiter lui lus und 2o5 bis 2o1 derart miteinander verbunden, dass die Teil leiterstränge der Windungen 1 und 2 nicht mehr in Reihe geschaltet, sondern gegengeschaltet sind, d. h.
abweichend von dem Beispiel der Fig. 3 sind verbunden: Teilleiter 1u5 mit 2ö1, 1u4 mit 2o....... 1U1 mit 2o5. Diese Gegenschaltung innerhalb der begrenzten Wick= lungs- oder Kühlabschnitte hat zur Folge, dass prak tisch durch Stirnstreufelder innerhalb der Wicklungs abschnitte Kurzschluss- oder Schleifenströmeüberhaupt nicht mehr auftreten können.
Die Schaltung nach Fig. 6 und 7 bietet die Möglichkeit, eine völlige Unterdrückung der Kurzschluss- oder Schleifenströme auch dann zu erreichen, wenn die einzelnen Wicklungsabschnitte nur je zwei Windungen der Wicklung umfassen.
Schliesslich ist in Fig. 8 noch perspektivisch die Aus bildung einer Gegenschaltungsschleife an der Stelle S der Fig. 7 wiedergegeben. In dieser Figur ist davon ausgegangen, dass die hohlen Teilleiter der Stäbe in zwei Ebenen nebeneinanderliegend angeordnet sind.
Die wiedergegebene Schleife zeichnet sich dadurch aus, dass die aus den Teilleitern zusammengesetzten Stab seiten beispielsweise der Stäbe 1u und 2<B>0</B> zunächst bei x um die Breitseiten der Leiterstäbe abgebogen sind und die abgebogenen Leiterseiten wiederum bei y um ihre Schmalseiten umgebogen sind und in weiteren schleifen- förmig gebogenen Teilen aneinanderstossen, wobei die Teilleiter z. B. in der Mitte einer Schleife bequem durch Hart- oder Weichlötung bei t unter Durchführung der Kühlkanäle einzeln miteinander verbunden werden können.
Die beschriebene Schleifenausbildung hat zur Folge, dass die verbundenen Teilleiter von Oberstab und Unterstab die gleiche Lage einnehmen, d. h. die obere Lage der Teilleiter des Oberstabes ist mit der oberen Teilleiterlage des Unterstabes verbunden, und in analoger Weise ist eine Verbindung zwischen den in Richtung der Nuttiefe folgenden Teilleiterlagen her gestellt. In entsprechender Weise sind durch die vor gesehene Schleife die Teilleiter der aussenliegenden Leiterreihen miteinander und in gleicher Weise die Teilleiter der innenliegenden Leiterreihen miteinander verbunden.
Selbstverständlich können bei der in Fig. 8 wieder gegebenen Schleife an den Verbindungsstellen t der Teilleiter auch übergeschobene Röhrchen zur Ver bindung vorgesehen werden, die hart oder weich auf gelötet sind. Letztere Anordnung ist in Fig. 9 ange deutet.
Auch weitere Einzelheiten der beschriebenen An ordnungen können sinngemäss abgeändert werden. So ist es beispielsweise bei dem Beispiel der Fig. 1 und 3 auch möglich, die Wicklungs- oder Kühlabschnitte sich über eine ungerade Zahl von Stäben, d, h. eine gebro chene Windungszahl (z. B. 3 %2 oder 4!/2 Windungen) erstrecken zu lassen. In diesem Fall liegen die Kühl mittelanschlüsse abwechselnd auf verschiedenen Seiten der Wicklung.