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Statorwicklung dynamoelektrischer Maschinen Die Erfindung betrifft
die Statorwicklung dynamoelektrischer Maschinen, und sie ist insbesondere bei großen
Wechselstromgeneratoren mit Turbinenantrieb mit Vorteil anwendbar.
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Die maximal erzielbare Leistung derartiger Maschinen wird durch mehrere
Faktoren begrenzt; zu den wichtigsten dieser Faktoren gehört der zulässige Temperaturanstieg,
der seinerseits von der Geschwindigkeit abhängig ist, mit der die in den genannten
Maschinen erzeugte Wärme abgeführt wird.
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Das übliche Verfahren zur Kühlung derartiger Maschinen besteht darin,
Gase, beispielsweise Luft oder Wasserstoff, durch die Maschine zirkulieren zulassen.
Bei einem derartigen Kühlverfahren wird jedoch nur eine Wärmeabführung von den Kernoberflächen
sowie von den frei liegenden Endabschnitten der Wicklung erzielt; bei den eingebetteten
Abschnitten der Wicklungen kann eine Wärmeabführung nur dadurch erfolgen, daß die
Wärme zu frei liegenden Oberflächen geleitet wird, um dort abgeführt zu werden.
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Zur Erzielung einer besseren Kühlwirkung, insbesondere auch der in
den Nuten eingebetteten Leiterabschnitte, ist es auch bereits bekannt, entweder
die Leiter selbst hohl auszubilden und durch die hohlen Leiter ein Kühlmittel zu
leiten oder aber die Leiter so auszubilden, daß sie nicht den gesamten Nutenquerschnitt
ausfüllen, so daß das Kühlmittel in den Nuten entlangströmen kann. Bei dem sich
mit hoher Geschwindigkeit drehenden Rotor kann dabei die Wirkung des Ventilators
und die auf das Gas wirkende Zentrifugalkraft zur Hervorrufung der Kühlgasströmung
durch die Kühlkanäle benutzt werden. Anders jedoch bei der Kühlung des Stators,
bei dem solche Mittel nicht zur Verfügung stehen und deshalb das Kühlmittel den
Leitern unter Druck zugeführt werden muß. Dies bedingt, daß die Kühlkanäle in den
Leitern mit einer Zuführungsleitung für das unter Druck stehende Kühlmittel in Verbindung
stehen müssen. Zugleich müssen jedoch auch Vorkehrungen getroffen werden, um sicherzustellen,
daß die Leiter über die Kühlmittelzuführungsrohre nicht elektrisch kurzgeschlossen
werden, während aber dennoch die üblichen elektrischen Stirnverbindungen zwischen
den Leitern ermöglicht sein sollen. Es sind bereits Statorwicklungen dynamoelektrischer
Maschinen bekannt, bei denen die Leiter in den Nuten eines Eisenkernes in oberen
und unteren Gruppen angeordnet sind und Längskanäle aufweisen, durch welche ein
Kühlmittel von dem einen zum anderen Ende der Maschine fließt. Hierbei erstrecken
sich die Leiter merklich über die Enden des Eisenkernes hinaus und sind an im Abstand
vom Eisenkernende liegenden Stellen isoliert abgestützt. Bei diesen bekannten Maschinen
wird die Statorwicklung doppelseitig belüftet. Diese bekannte Ausbildung, die zu
einer Zeit entwickelt worden ist, in der die Maschinen mit relativ niedriger Drehzahl,
niedriger elektrischer Spannung und damit mit geringer mechanischer Beanspruchung
liefen, ist für moderne, sehr schnell laufende Maschinen nicht befriedigend.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Statorwicklung für dynamoelektrische
Maschinen der beschriebenen Art zu schaffen, die bei guter Kühlwirkung den heutigen
hohen mechanischen Anforderungen gewachsen ist.
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Die Statorwicklung gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Leiter zwei Leiterbänder umfaßt, die, um einen Kühlmittelkanal zwischen
sich zu bilden, im Abstand voneinander angeordnet sind. Weiterhin sind Verbinder
in Form von Metallbändern vorgesehen, welche die Leiter an Stellen zwischen den
Enden des Eisenkernes und den isolierten Abstützungen umschließen und die Leiter
der oberen und unteren Gruppen untereinander verbinden.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung der Statorwicklung ermöglicht
es die rechteckige Form der Leiter, die Maschine insbesondere bezüglich der Stirnverbindungen
sehr starr zu bauen.
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Weiterhin kann - entsprechend der hohen Spannung, für welche die Maschine
ausgelegt ist - eine
Mehrzahl von Leitern in jeder Nut vorgesehen
sein, wobei die Verbinder die mehrfache Verbindung zwischen Leitern der oberen und
der unteren Gruppen im Bereich der überstehenden Enden der Leiter sicherstellen.
Hierdurch wird die mechanische Festigkeit der Statorwicklung noch weiter erhöht,
so daß sie den durch 'die hohen Spannungen induzierten Kräften sowie den :durch
die hohen Umdrehungszahlen verursachten Schwingungen gewachsen ist.
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Der Abstand der Leiter der Wicklung kann durch isolierende Abstandsstücke
sichergestellt sein, die zusammen mit den entsprechenden Leitern die Kühlkanäle
bilden.
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Als Kühlmittel kann ein Gas, beispielsweise Luft oder Wasserstoff,
oder auch eine leicht zu verdampfende Flüssigkeit, beispielsweise Freon oder Tetrachlörkohlenstoff,
verwendet werden.
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Die Erfindung wird an Hand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer Statornut mit gemäß der Erfindung
angeordneten Leitern; Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch eine dynamoelektrische Maschine
mit einer Statorwicklung gemäß der Erfindung, bei welcher der Stator mittels Flüssigkeit
gekühlt wird; Fig. 3 zeigt in vergrößertem Maßstab eine Nut mit einer etwas anderen
Leiteranordnung als in Fig. 1; Fig. 4 ist eine Ansicht in der gleichen Schnittebene
wie in Fig. 2, jedoch in vergrößertem Maßstab, und Fig. 5 zeigt die Anordnungen
A und B nach Fig. 4 jeweils im Schnitt entlang den Linien A-A bzw. B-B in Fig. 4.
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In Fig. 1 bestehen die Leiter des unteren Stabes aus rechteckigen
Metallbändern 5, zwischen denen isolierende Abstandsstücke 6 angeordnet sind. Diese
bilden zusammen mit den Metallbändern Kanäle 7, durch welche die Gase hindurchströmen
können. Der obere Stab besteht aus drei Paaren von Bändern 8, die in ähnlicher Weise
in gegenseitigem Abstand gehalten werden, um die Kanäle 9 zu bilden. In manchen
Fällen kann es aus mechanischen Gründen zweckmäßig sein, zwischen den beiden oberen
Paaren von Bändern des oberen Stabes zusätzlich ein in der Mitte angeordnetes Abstandsstück
10 vorzusehen, wie es in Fig. 1 durch gestrichelte Linien angedeutet ist.
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Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung können die einzelnen Bänder,
aus denen jedes Paar 8 besteht, oder jeweils benachbarte Bänder 5 in der üblichen
Weise innerhalb der Nut miteinander vertauscht werden; eine Vertauschung der verschiedenen
Paare kann beispielsweise durch entsprechende Verbindungen an den Enden der Leiter
herbeigeführt werden.
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Aus Fig. 2 kann man erkennen, in welcher Weise die Leiter gemäß der
Erfindung in einem Wechselstromgenerator mit Turbinenantrieb angeordnet werden können.
Mit 15 ist der Statorkern, mit 16 der untere Teil des den Kern umgebenden Rahmens
bezeichnet; die Bezugszahl 17 bezeichnet einen Teil des Rotors. In dem ringförmigen
Spalt zwischen der Außenfläche des Rotors und dem Stator ist ein Spaltrohr 18 aus
nichtmetallischem Material vorgesehen. Bei der Anordnung nach Fig. 2 sind die oberen
und unteren Stäbe als jeweils aus einem einzelnen Leiter 19 bzw. 20 von rechteckigem
Querschnitt bestehend, dargestellt. Die Kühlflüssigkeit wird dem auf der rechten
Seite befindlichen Ende des Leiters 19 aus einer Eintrittskammer 21 zugeführt; diese
Eintrittskammer erstreckt sich über den Umfang des Statorkernes und wird durch eine
Rohrleitung 22 mit Flüssigkeit versorgt. Die Enden der Leiter 19 und 20' sind mit
Hilfe eines metallischen Verbinders 23 elektrisch miteinander verbunden, während
der in dem oberen Leiter 19 vorgesehene Kanal mit der erwähnten Kammer 21 über eine
isolierende Buchse 24, die' in eine Öffnung in einer isolierenden Platte 25 eingepaßt
ist, in Verbindung steht. Die Flüssigkeit aus der Kammer 21 strömt durch den Kanal
in dem Leiter 19 zur linken Seite der Maschine und tritt in die Pinke Kammer 26'
am linken Ende des Stators ein. Auf der linken Seite der Maschine sind die beiden
Leiter ähnlich wie auf der rechten Seite durch einen Verbinder 23' elektrisch miteinander
verbunden, während der untere Leiter 20 in diesem Falle mittels einer isolierenden
Buchse 24', die in die isolierende Platte 25' eingepaßt ist, an die zur Zuführung
von Flüssigkeit dienende Kammer 21' angeschlossen ist. Gemäß der Darstellung in
Fig.2 strömt somit die Flüssigkeit durch den oberen Leiter 19 von rechts nach links,
während die Strömung durch den unteren Leiter 20 von links nach rechts erfolgt,
wobei die durch den unteren Leiter 20 strömende Flüssigkeit in die rechte Kammer
26' eintritt.
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Bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung wird für eine zusätzliche
Flüssigkeitskühlung des Statorkernes durch axiale Kanäle 27 gesorgt, denen die Kühlflüssigkeit
aus den Kammern 28 und 28' zugeführt wird. Durch die axialen Kanäle 27 gelangt die
Flüssigkeit in die radialen Kanäle 29, die in dem Kern vorgesehen sind. Bei der
dargestellten Anordnung führen die Kanäle 27 jeweils jedem zweiten Kernkanal
29
Kühlflüssigkeit zu, und die erwähnten Kernkanäle speisen ihrerseits die
dazwischenliegenden Kernkanäle durch die Übertrittskanäle 30, die an der Innenseite
des Kernes vorgesehen sind; die Richtung der Strömung ist jeweils durch Pfeile angedeutet;
der entstehende Dampf wird schließlich durch die am Boden des Gehäuses vorgesehene
Austrittsöffnung 16A abgeleitet. Bei der vorgesehenen Anordnung würde der Rotor
mittels Gas, beispielsweise mittels Wasserstoff, gekühlt; aus diesem Grunde ist
die Wand 18 vorgesehen, um das mit Flüssigkeit arbeitende Kühlsystem des Stators
von dem mit Gas arbeitenden Kühlsystem des Rotors zu trennen.
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Wenn der Stator jedoch mittels Gas gekühlt wird, kann die Wand 18
fortgelassen werden, und das Gas; das durch die hohlen Leiter in die auf der linken
und auf der rechten Seite der Maschine vorgesehenen Räume 26' gelangt, würde sich
dann mit dem Gas mischen, das aus dem Rotorkühlsystem austritt; bevor das Gas erneut
durch die Maschine zirkuliert, wird es bei dieser Anordnung durch einen Kühler geschickt.
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Fig. 3 stellt eine Leiteranordnung dar, bei der die Leiter ähnlich
wie der in Fig. 1 dargestellte untere Stab aus parallelen Bändern gebildet sind.
Im Falle der Anordnung gemäß Fig. 3 sind jedoch acht Paare von Bändern im oberen
Stab sowie ebenfalls acht Paare im unteren Stab vorgesehen; die oberen und unteren
Bänder 30 bzw. 31 jedes Paares sind hierbei durch isolierende Abstandsstücke 32
voneinander getrennt. Die Abstandsstücke 32 sind ihrerseits in einem seitlichen
gegenseitigen Abstand derart angeordnet, daß sich zwischen jedem Paar von Leiterbändern
30 und 31 einerseits und den zugehörigen isolierenden Abstandsstücken 32 andererseits
ein zur Kühlung dienender Kanal 33 bildet. Jede der auf diese Weise gebildeten
Gruppen von Bauteilen ist von der benachbarten Gruppe durch einen Isolierstreifen
34 getrennt. Die den oberen Stab bildenden Bauteile sind in eine isolierende Umhüllung
35 und der untere Stab in eine
isolierende Umhüllung 36 eingeschlossen.
Beide Stäbe sind durch ein Abstandsstück 37 voneinander getrennt und zusammen durch
einen Keil 38 in der Nut festgehalten.
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Fig. 4 stellt die Anordnung an den Enden einer derartigen Wicklung
dar. Bei der gezeigten Anordnung wird der Hälfte der Leiterkanäle aus der Kammer
21 am Ende der Wicklung Flüssigkeit zugeführt, die am anderen Ende der Maschine
wieder aus den Kanälen austritt. Den übrigen Kanälen wird Flüssigkeit am anderen
Ende der Maschine zugeführt, und diese Flüssigkeit tritt in den Raum 26' aus. Zur
Herstellung der Rohrleitungsverbindungen dienen rechteckige Isolierrohre 24, die
jede Gruppe von bandförmigen Leitern mit einer isolierenden Platte 25 verbinden,
wobei die Rohre 24 durch die Platte 25 hindurch in den Raum 21 hineinragen. Die
Anordnung am gegenüberliegenden Ende der Maschine ist entsprechend getroffen.
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Aus den Fig. 5 A und 5 B erkennt man, wie die Verbinder 23A bzw. 23B
in Fig. 4 angeordnet werden können, um eine Vertauschung von Leitergruppen zu bewirken.
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Weiterhin müssen Mittel, wie Pumpen oder Gebläse, zum Umwälzen des
Kühlmittels vorgesehen sein.
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Es ist ferner im Falle einer Kühlung mittels Wasserstoff normalerweise
erforderlich, einen Kühler vorzusehen, um den Wasserstoff zu kühlen, bevor er erneut
umgewälzt wird. Dieses Erfordernis ergibt sich bei Wasserstoff insbesondere deshalb,
weil hierbei eine sehr sorgfältige Abdichtung der Maschine erforderlich ist. Im
Falle einer Kühlung mittels Flüssigkeit kann die Kühlflüssigkeit naturgemäß aus
der Maschine herausgeführt und ihr nach dem Kühlen wieder zugeführt werden.