DE1613001A1 - Direktgekuehlte elektrische Maschine - Google Patents

Description

Direktgekühlte elektrische Maschine

Es ist bekannt, zur Kühlung einer elektrischen Maschine mehrere Kühlkanäle in den Wicklungsnuten der Maschine anzuordnen, z.B. einen Kanal in jedem in der Nute liegenden Leiter. Diese Kanäle dienen zur leitung einer Kühlflüssigkeit und sorgen aufgrund ihres direkten Kontakts mit den Leitern für eine wirksame Kühlung der Wicklungen der Maschine. Kanäle dieser Art werden sowohl im Stator als auch im Rotor der Maschine verwendet.

Wenn der Rotor einer Maschine durch die beschriebenen Kanäle und nicht durch Luft gekühlt wird, wächst die Gefahr einer Unbalance des Rotors aufgrund von Verformungen, die durch eine ungleichmäßige Erwärmung des Rotorumfanges verursacht werden. Das beruht darauf, daß die Wicklungen selbst äußerst wirksam gekühlt werden, während die zwischen den Wicklungen liegenden leile des Rotors relativ weniger wirksam gekühlt'werden als es z.B. bei luftgekühlten Maschinen der Fall ist. Bei direktgekühlten Rotoren, bei denen der größte Teil der in dem Eisenkern entwickelten Wärme zu der Rotorwicklung geleitet wird, ist es kaum möglich, einen thermischen

Neue Unterlagen (Art 7 §1 Aba. 2 Nr. I Satz 3 des Änderungsgea. v. 4. 9.1967)

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Widerstand der verschiedenen WärmeStrömungsbahnen auf eine solche Weise vorherzubestimmen, daß symmetrisch gelegene Teile des Eisenkerns dieselbe Wärmeströmung haben. Unkontrollierbare Differenzen, z.B. hinsichtlich des thermischen Widerstands zwischen Wicklung und Kern, können dazu führen, daß gewisse Teile des Rotorkerns sich mehr in axialer Richtung ausdehnen als andere Teile. Sofern die am stärksten gedehnten Teile sich nicht gleichmäßig ausdehnen und diametral liegen, tritt eine Biegung und dadurch eine Unbalance im Rotor auf.

Gemäß der Erfindung kann die Gefahr eier Unbalance vermieden oder eingeschränkt werden, indem man den Rotor mit zwei zusammenarbeitenden Kühlsystemen versieht, von denen eins für eine Direktkühlung der Wicklung und das andere nur zum Kühlen der Eisenteile bestimmt ist. Das letzte besteht aus zusätzlichen Kühlkanälen in den zentralen Polteilen und/oder Rotorzähnen innerhalb eines gewissen Abstandes vom Rotorumfang.

Auf diesem Wege erhält man eine gleichmäßigere Kühlung der radial außenliegenden Teile des Rotors längs des ganzen Umfanges. Die Kühlkanäle, die für direkte Kühlung der in den Wicklungsnuten gelegenen Wicklungsteile vorgesehen sind, sind so angeordnet, daß das Kühlmittel in axialer Richtung am Rotor entlang geleitet wird. Die für die Kühlung der von der Rotorwicklung umgebenen Eisenteile vorgesehenen und in diesen Teilen angeordneten, zusätzlichen Kühlkanäle dienen gleichzeitig als Rückleitung für das Kühlmittel, das

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die Rotorwicklung durchströmt hat, sie können leicht und mit einem relativ geringen Strömungswiderstand ausgebildet sein. Durch eine derartige Anordnung ist es möglich, sowohl eine Eingangs als auch eine Ausgangsleitung für das gesamte Kühlsystem an nur einem Ende des Rotors anzuordnen, was zu einer relativ einfachen und preiswerten Konstruktion führt.

Um eine gleichmäßige Kühlung der Wicklung selbst zu erreichen, ist es gewöhnlich notwendig, mehrere Kanäle in jeder Wicklungsnut gleichmäßig über den Wicklungsquerschnitt verteilt anzuordnen. Da die gesamte vom Eisen zu den obengenannten zusätzlichen Kanälen abzuführende Wärmemenge sehr viel kleiner ist als die, die von den elektrischen Lettern zu den Kühlkanälen in den Nuten abzuführen ist, ist die gesamte erforderliche Wärmeübertragungsfläche in dem erstgenannten Fall viel kleiner und infolgedessen können in diesem Pail Kanäle mit relativ großem Querschnitt benutzt werden. Die Anzahl der zusätzlich erforderlichen Kühlkanäle ist bedeutend niedriger als die gesamte Anzahl der Kanäle in den f Wicklungsnuten.

Unbalancen der Art, wie sie in dem Rotor aufgrund von unvermeidlichen Temperaturunterschieden zwischen diametral gegenüberliegender Teile des Rotorkerns entstehen, werden mit der Erfindung mit Hilfe eines im Rotorkern eingebetteten Kühlsystems vermieden oder reduziert. Es ist jedoch das bloße Vorhandensein eines solchen

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Systems noch keine ausreichende Voraussetzung dafür, den gewünschten Effekt zu erlangen. Bin konventionelles Kühlsystem ist nur dafür vorgesehen, die Temperatur der gekühlten Teile nicht über eine gewisse Maximal temperatur steigen zu lassen, und es wird als ungünstig angesehen, eine stärkere Strömung des Kühlmittels zu verwenden als es für diesen Zweck erforderlich ist» Wenn in einem solchen konventionellen Kühlsystem einer der Zweige des Systems in einem Maschinenteil mit besonders hoher Temperatur liegt, wird es als normal angesehen, daß das Kühlmittel in diesem Zweig eine sehr hohe Temperatur hat, wenn nur dieser Maschinenteil die Maximaltemperatur nicht überschreitet. Bei einem Kühlsystem eines Rotors gemäß der Erfindung ist es dagegen von Wichtigkeit, daß die Temperatur des einen Kühlkanals durchfließenden Kühlmittels so weit wie möglich von der Art der wärmeleitenden Verbindungen zwischen Kühlkanal und benachbarten Rotorleiter unabhängig ist. Um dieser Forderung zu entsprechen, ist es notwendig, ein Kühlsystem zu schaffen, das - von konventionellen Gesichtspunkten gesehen - hinsichtlich des Kühlmittelflusses "überdimensioniert" ist, so daß dieser Pluß viel größer als erforderlich ist, um die für die Maschine zulässige Temperatur nicht zu überschreiten. Bei einem Rotor gemäß der Erfindung ist es offensichtlich, daß das im Eisen eingebettete Kühlsystem in dieser Hinsicht überdimensioniert ist, da die gesamte Kühlmittelmenge, die dem Wicklungsrotor zugeleitet wird, auch dem vom Eisen umschlossenen Kühlsystem zugeleitet wird, trotz der Tatsache, daß die Eisenverluste nur einen kleinen Teil der Kupferverluste ausmachen.

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Zwei Ausführungsformen der Erfindung sind im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben, in dieser zeigen:

Pig. 1 und 2 zwei Rotoren im Längsschnitt längs der Linien 0-A bzw. 0-B in Pig. 3, die sich nur in Hinsicht auf die hydraulischen Verbindungen zu den Hauptleitungen unterscheiden,

Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie C-D in Pig. 1 bzw. längs der Linie E-P in Pig. 2 und

Pig. 4 und 5 Teile von Pig. 3.

In der Zeichnung bezeichnet 1 einen Rotorkörper, der mit Wicklungsnuten 10 versehen ist. Der Rotor hat zwei Achszapfen 1a und 1b. Der Achszapfen 1a ist massiv, während der Achszapfen 1b eine zentrale Bohrung hat, die durch eine rohrartige Trennwand in eine innere Leitung 2 und eine äußere, mit der Leitung 2 konzentrische Leitung 3 geteilt wird. 4 bezeichnet die Wicklungsköpfe, d.h. Teile der Wicklung, die axial außerhalb der Rotornuten liegen. Ein Kühlsystem, das Kanäle 5a in den Nuten 10 enthält, ist in Pig. 1 und 2 durch die punktierte Linie 5 angedeutet, und ein Kühlsystem für die Eisenteile mit Kühlkanälen 7a in dem zentralen Teil 9 oder einem der Zähne 8 des Rotors ist durch die ausgezogene Linie 7 dargestellt. Die Wicklungeköpfe der Rotor-

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Wicklung sind mit 4 bezeichnet. Die Pfeile in den Figuren zeigen die Flußrichtung des Kühlmittels.

In Fig. 4 ist ein Querschnitt der Wicklungsnut 10 gezeigt. Die Wicklungsnute enthält eine Anzahl Leiter/l 1, die gegeneinander isoliert sind. Die Kühlkanäle 5a umschließen ein axial verlaufendes Kühlrohr 12 in jedem Leiter 11. Die Nut wird durch einen Keil 14 geschlossen. 13 ist ein Körper aus Isoliermaterial.

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt der Konstruktion der zusätzlichen Kühlkanäle 7a. Jeder der Kanäle 7a besteht aus einem Kühlrohr 15, das durch einen Keil 16 in der Kühlnut 6 befestigt wird, wobei der Keil genau wie der Boden der Nute 6 entsprechend dem Kühlrohr geformt ist, um eine wirksame Wärmeüberführung zu erreichen.

In Fig. 1 ist das Kühlsystem 5 durch Verbindungen 17 an der Haupteingangsleitung 3 angeschlossen und das Kühlsystem 7 durch die Verbindungen 18 an der Hauptausgangsleitung 2. Am entgegengesetzten Rotorende sind die Ausgänge vom System 5 durch die Verbindungen 19 mit den Eingängen des Systems 7 verbunden. Die Verbindungen 17, 18, 19 sind in konventioneller Weise ausgebildet und montiert, beispielsweise wie es in US-PS 3 340 412 oder 3 075 104 gezeigt und beschrieben ist.

Die Ausführung in Fig. 2 unterscheidet sich von der in Fig. 1 dadurch, daß die Verbindung 17 mit der Ausgangsleitung 2 anstelle mit der Eingangsleitung 3 verbunden ist, dementsprechend sind die

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Yerbindungen 18 mit der Leitung 3 anstelle von Leitung 2 verbunden.

Die hydraulischen Yerbindungsleitungen zwischen den Kühlkanälen 5a des Kühlsystems 5 können in beliebiger Weise ausgeführt werden, z.B. wie es in Fig. 8 und 11 der US-PS 5 075 104 gezeigt ist.

In der in Pig. 1 gezeigten Ausführung durchströmt das Kühlmittel, gewöhnlich Wasser, zuerst die Kanäle 5a der Rotorwicklung und wird dann durch die Kanäle 7a des im Eisen eingebetteten Kühlsystems 7 zu der Ausgangsleitung 3 zurückgeleitet.

In Pig. 2 durchströmt das Kühlwasser zuerst die weiten Kanäle 7a im Rotorkörper, ehe es durch die Wicklung geleitet wird. Bei dieser Durchströmungsrichtung und auch bei der in Fig. 1 gezeigten steigt die Temperatur des Kühlwassers auf seinem Weg durch die weiten Kanäle im Rotorkörper aus obengenannten Gründen nur mäßig· Jedoch besteht hier der wichtige Unterschied, daß die Wassertemperatur des Kühlsystems 7 gemäß Pig. 2 praktisch dieselbe ist wie die der Eingangsleitung 3» also ziemlich niedrig.

Wenn bei ständigem Betrieb die Kühlsysteme 5 und 7 gemäß Fig. an den Leitungen 2 und 3 angeschlossen sind, findet normalerweise eine gewisse direkte Wärmeübertragung von der Wicklung zu dem Eisenkern des Rotorkörpers in hauptsächlich tangentialer Richtung statt, da die Temperatur der Wicklung in diesem Fall etwas höher ist als die des Rotorkörpers, d.h. die Temperatur der Zähne und

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der zentralen Teile der Pole. Bei einer Durchströmungsrichtung gemäß Fig. 1 wird die Wärme dagegen in entgegengesetzter Richtung übertragen, also vom Eisen zu der Wicklung. Wenn in dem letztgenannten Pail eine plötzliche Reduzierung der Generatorlast stattfindet, wird die Wicklung schnell auf eine den neuen Bedingungen entsprechende Temperatur abgekühlt, während das Rotoreisen aufgrund seiner größeren Masse und seines geringeren Eontaktes zwisehen der erhitzten Masse und dem Kühlmittel eine ziemlich lange Zeit benötigt, um eine neue, der niedrigeren Temperatur des Kühlmittels entsprechende Temperatur zu erreichen. In der Zwischenzeit wird ein relativ großer Wärmefluß von dem Eisen zu den Leitern der Wicklungsnut und durch die die Leiter umgebende Isolation gehen. Unterschiedlicher Värmewiderstand, z.B. in dieser Isolation, kann dann eine gewisse thermische Asymmetrie verursachen.

Aue dem Obengenannten geht hervor, daß es von großer Bedeutung ist, die in Pig. 2 gezeigte Ausführungsform der Erfindung zu * wählen, wenn die Betriebsverhältnisse große und schnelle lastreduzierung erforderlich machen.

Die Ausführung nach Pig. 2 hat auch den Vorteil, daß die Korrosion in den Kühlkanälen 7 des Rotorkörpers verringert wird. Der Grund hierfür ist der, daß der Sauerstoffgehalt des Kühlwassers, ehe es die Wicklung durchströmt, am niedrigsten ist, da der Sauerstoff durch Elektrolyse in Verbindung mit der Wicklung gebildet wird. Ein niedriger Sauerstoffgehalt ist eine Voraussetzung für eine geringe Korrosion in den Kühlkanälen des Rotorkörpers.

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Claims (1)

Patentansprüche;

1. Rotor für elektrische Maschinen mit einer flüssigkeitsgekühlten und in Nuten des Rotors untergebrachten Rotorwicklung, der das Kühlmittel an einem Ende des Rotors zugeführt und am anderen Ende wieder abgenommen wird, dadurch gekennzeichnet , daß der Rotor ein weiteres Kühlsystem (7) zur Flüssigkeitskühlung des Rotoreisens hat, das aus mehreren axial verlaufenden, zwischen den Wicklungs- ^ nuten und nahe dem Rotorumfang liegenden Kühlkanälen (7a) besteht, daß das Kühlsystem (7) des Rotoreisens mit dem Kühlsystem (5) der Rotorwicklung an einem Rotorende axial außerhalb des Rotorkörpers in Reihe geschaltet ist und daß am anderen Ende des Rotorkörpers ein Einlaufkanal und ein Ablauf kanal für die beiden in Reihe geschalteten Systeme im Rotorzapfen angeordnet sind,

2, Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablauföffnung des Kühlsystems (7) für ds Rotoreisen mit der Eingangsöffnung des Kühlsystems der Rotorwicklung (11) verbunden ist I (Pig. 2).

Neue Unterlägen (Art. 7 § 1 Abs. 2 Nr. I Satt 3 de» Xnetorunfleges. v. 4.9.1967)

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