EP1062719A1 - Belüftungssystem für die erregerwicklung grosser schenkelpolmaschinen - Google Patents

Belüftungssystem für die erregerwicklung grosser schenkelpolmaschinen

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Publication number
EP1062719A1
EP1062719A1 EP99916787A EP99916787A EP1062719A1 EP 1062719 A1 EP1062719 A1 EP 1062719A1 EP 99916787 A EP99916787 A EP 99916787A EP 99916787 A EP99916787 A EP 99916787A EP 1062719 A1 EP1062719 A1 EP 1062719A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
winding
pole
ventilation system
excitation
openings
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP99916787A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Heinz-Dieter Eberhardt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Voith Hydro Holding GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1062719A1 publication Critical patent/EP1062719A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/24—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors with channels or ducts for cooling medium between the conductors

Definitions

  • the invention relates to a ventilation system for a star-shaped excitation system of a salient pole machine, wherein a gaseous cooling medium forces the cooling of the excitation winding.
  • Such salient pole machines are generally used as generators, in particular hydropower generators.
  • FIG. 6 The principle of a salient pole machine is shown in FIG. 6: on the cylindrical inner surface of a stator part 30 there is a winding 31, e.g. Coils inserted in grooves are arranged around the excitation system rotating about the rotor axis 32.
  • This excitation system consists of legs extending in a star shape from the rotor axis 32, which are magnetized in the radial direction and have an alternating polarity.
  • four pairs of such magnetic poles are provided, that is to say eight legs which are separated from one another in the tangential direction by pole gaps 1, which thus each widen in pie-pie form to form a winding head space 33 and are connected to one another via these winding head spaces.
  • Each leg is magnetized in each case by an excitation winding 21 running around a pole shaft 20, as a rule flat copper conductors or similar conduction bands, which form individual winding layers, each separated by insulating layers.
  • the pole shafts each carry a pole piece 10, which is arranged in the winding head space 33 at the head of the excitation winding.
  • the other end of each pole shaft 20 merges into a rotor yoke 12.
  • the losses occurring in the field windings must be dissipated to limit the temperature and require intensive cooling of the field system.
  • the cooling is carried out by means of a cooling gas stream which is passed through the cylindrical interior of the stand part, for which two variants are common:
  • the rotor's own rotation acts as a pressure source for the ventilation system without additional fans.
  • the prior art is represented by DE-OS 195 15 260.
  • the gaseous cooling medium emerges from slots in the barrel yoke and flows radially into the pole gap.
  • the heat flow from the flat copper conductors (winding layers) to the pole shaft is low due to the large heat resistance due to the electrical insulation between the field winding and the pole shaft.
  • the main part of the heat flow is therefore released on the side of the excitation winding facing away from the pole shaft to the cooling air in the pole gap and in the winding head space.
  • the effective speed for cooling in the winding head space on the end faces of the field winding is much higher than in the pole gap. This means that the cooling here is also more intensive and the conductor temperature is therefore lower.
  • cooling fins on the flat copper conductors on the side facing away from the pole shaft run axially in the pole gap and in the circumferential direction in the end region. Since the cooling fins, which are axially arranged in the pole gap, are perpendicular to the radial direction of the coolant flow, there is a transverse flow against the fins. The heat transfer of such fin arrangements is 3 not very intense. This is a major disadvantage of this ventilation system in terms of cooling the field winding.
  • the object of the invention is to create a highly effective cooling technology solution for the field development of large salient pole machines, in which the cooling surface is enlarged and high heat transfer coefficients are achieved by simple design measures.
  • the object is achieved in that openings are provided in the winding layers which form flow paths in which the cooling medium is also radially outward. 4 leads, as in the pole gaps, but which lead along the side of the excitation winding facing away from the pole shaft through the interior of the windings. These flow paths open directly into the winding head space or into the part of the pole gap that merges into the winding head space. These window-like openings in the winding layers of the excitation winding significantly increase the cooling surface, especially in the area of the head.
  • the cooling air flows almost radially with almost the same flow speed as in the pole gap.
  • the flow paths can be straight, but they can also have bends.
  • the cooling medium is led radially outwards, as in the pole gaps, so it is a "parallel connection of additional cooling medium flows".
  • These "parallel" flow paths result from the fact that the window-like openings made in the winding layers (eg flat copper conductors) are not covered by the insulating layers arranged between the winding layers, and the openings worked into the winding layers lie one above the other, although the insulating material is slightly in the window-like openings can protrude. In order to avoid flashovers between the winding layers ("short turns"), the edges of these window-like openings must not have any burrs.
  • the flow paths start from inlet openings which are formed by corresponding windows in the lowest winding position of the excitation winding, the edges of these inlet openings advantageously being rounded off or beveled.
  • the cooling of the field winding is significantly intensified by the solution according to the invention.
  • the possible development reserve can vary, e.g. to lower the temperature of the excitation winding or to increase the electromagnetic utilization.
  • the field winding of large salient pole machines can be realized in a material and space-saving manner. This also opens up ways of improving efficiency, in particular by reducing ventilation losses due to the intensification of cooling.
  • the advantage of the invention can also be seen in the fact that it can be used both for new designs and for retrofitting existing machines.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section of a sector A in FIG. 14,
  • FIG. 2 shows a plan view of the outer edge region of a winding layer and the window-like openings for forming the flow paths,
  • FIG. 3 shows a schematic section through several winding layers with insulating layers lying between them and continuous flow paths,
  • FIG. 4 shows a section through winding layers with cooling surfaces on the outer edges
  • FIG. 5 shows a section like FIG. 3 with an outer edge region of lower height of the winding layers
  • FIG. 6 shows a section as in FIG. 1 with a displacement body in the pole gap
  • 6 shows a section as in FIG. 1 with a guide device in the pole gap
  • FIG. 8 shows a section as in FIG. 6 with a hollow displacement body
  • FIG. 9 shows a section through a winding head
  • FIG. 10 shows a section through a base of an excitation winding
  • FIG. 11 shows a section like FIG. 3 with lateral openings on the flow paths
  • FIG. 12 shows a section like FIG. 4 with winding layers, the openings of which differ in an alternating sequence
  • FIG. 13 have a section as in FIG. 6 with a displacement body supported on adjacent excitation windings
  • FIG. 14 shows a section as in FIG. 6 with a displacement body overlapped by the pole piece
  • FIG. 15 shows the top view of a leg with a pole piece and the excitation winding underneath
  • FIG 16 the diagram of a salient pole machine already described.
  • FIG. 1 shows the guidance of the cooling medium in the area of the pole gap 1 and through the “parallel” flow paths 2 in the area of the head 3 of one or more flat copper conductors 4, which form the winding layers of the excitation winding 21.
  • the winding layers are each insulated from one another by an insulating layer 5.
  • the arrangement (already without additional guide devices) forces the flow to be divided once through the pole gap 1 and secondly through the parallel flow paths 2 in the outer edge region 3 of the flat copper conductor 4.
  • additional guide devices for dividing and guiding the flow of the cooling medium can be arranged.
  • FIG 2 shows an embodiment for rectangular openings 14 in the outer edge regions 3 of the flat copper conductor 4 and the insulating layers 5.
  • the view of a winding head according to Figure 15 shows that the flow paths with the openings 14 also have a circular or any other cross section and can open into the winding head space in the radial direction on a part 35 of the winding head which projects beyond the pole shoe 10.
  • the flow paths preferably lead in an approximately radial direction along those outer surfaces 36 of the excitation winding that face away from the pole shaft and point toward pole gap 1, that is to say the surface pieces 36 that lie between two legs, while between the pole shoe and the outer surfaces 37 that limit the field winding in the axial direction, no flow paths and openings need to be provided.
  • FIG. 3 shows how the openings 14 in the outer edge regions 3 of the winding layers 4 and insulating layers 5 form the flow paths 2 to the area in the pole gap 1 or to the winding head space.
  • the openings 14 of all flat copper conductors 4 and insulating layers 5 are the same here, the insulating layers 5 reaching as far as the edge of the openings or so slightly beyond that they practically do not impair the flow.
  • FIG. 4 shows an arrangement corresponding to FIG. 3.
  • cooling surfaces 14 are additionally arranged on the outer edges 3 of the flat copper conductors 4, for example external axial or radial or interrupted or interrupted at the foot or turned needle-shaped cooling fins 15.
  • FIG. 5 shows a schematic sectional illustration of a section of the field winding 21 with a reduced height of the winding layers in the outer edge region 3 of the flat copper conductor 4.
  • the insulating layers 5 are only arranged in the region with a non-reduced height. They can also protrude slightly into the area of reduced height. In the area with reduced height there is an open connection (breakthrough) between the pole gap 1 and the flow paths 2 in the edge area.
  • This embodiment has the advantage that the edges of the openings 14 in the flat copper conductor 4 are not deburred and the flow can be exchanged between the area of the pole gap 1 and the parallel flow paths 2.
  • an elongated displacement body 16 can be seen in the pole gap 1 for a salient pole machine, the cooling medium of which is supplied via slots 11 in the rotor yoke 12.
  • the displacement body 16 is aligned in the axial direction (approximately parallel to the rotor axis). It extends over the greater part of the axial length of the
  • FIG. 7 shows the schematic sectional illustration of an exemplary embodiment with additional cooling fins on the outer side edges of the flat copper conductors 4 and guide devices 17 of a salient pole machine, in which the coolant flow likewise emerges from slots 11 in the rotor yoke 12.
  • the guide devices 17 extend in the axial direction over the greater part of the axial length of the legs in the pole gap 1.
  • Each guide device 17 consists of a fastening part 23 and one or more guide vanes 22.
  • the guide vanes 22 protrude obliquely from the fastening body 23 into the radial one Flow (angle of attack ⁇ preferably less than 90 °) and are straight or curved in the further course.
  • the expansion of the guide vanes 22 in the direction parallel to the rotor axis preferably corresponds approximately to the expansion 9 expansion of the slots 11 in this axial direction.
  • the number of guide vanes is preferably not greater than the number of slots.
  • the pole gap has a flow cross section which is considerably larger than the cross section occupied by the guide devices.
  • the guide vanes 22 can have additional limits in the axial direction and can be arranged obliquely with respect to the direction tangential to the rotor axis.
  • high flow velocities occur in the area of the guide devices 17 and the flow preferably receives an axial component on the cooling surfaces of the field winding in the pole gap.
  • FIG. 8 schematically shows another exemplary embodiment for salient pole machines, in which the coolant flow exits from slots 11 of the rotor yoke 12, hollow displacement bodies 18 with outlet nozzles 19 being provided toward the excitation winding.
  • the hollow displacement bodies 18 are arranged in the axial direction over the greater part of the pole length in the pole gap 1.
  • the hollow displacement body 18 is open to the space 13 between the excitation winding 21 and the rotor yoke 12, so that the coolant flow can flow directly into the hollow bodies from the slots 11 of the rotor yoke 12.
  • the axial length of a hollow body 18 is preferably greater or approximately corresponds to the axial length of a slot 11 of the rotor yoke 12 and its number is preferably not greater than the number of slots 11 of the rotor yoke 12.
  • the nozzle-like outlet 19 can be straight or rotated, one of which additional deflection takes place so that the flow receives an axial component. Additional guide devices can be arranged within the hollow body 18.
  • the winding head including the side edges is covered by the pole shoe 10, that is to say that over the pole shaft 10 20 protruding length of the pole piece 10 is equal to the width of the flat copper conductor 4.
  • the upper or the upper flat copper conductor 9 have openings 8 to the outside.
  • the base of an excitation winding can be formed with inlet openings 6 in the lower flat copper conductor 7, as shown in FIG. 10. To reduce the entry losses, the edges of the entry openings 6 are rounded.
  • the outer edge region 3 of the winding layers can have a smaller height (extension in the radial direction) than the region of the winding layers between the pole shaft 20 and this outer edge region 3 the insulating layers only over this intermediate area, ie they do not extend, or only slightly, into the edge region 3 with the reduced height.
  • the openings forming the flow paths in the winding layers are preferably located in this edge region with a reduced height, the gaps between the winding layers of the reduced height leaving openings that connect the flow paths with the pole gap. Such breakthroughs to the pole gap can contribute to effective cooling of the field winding.
  • broken lines in FIG. 11 indicate that window-like openings 14 in the winding layers, which are completely surrounded by the material of the winding layers, do not always have to be required to form the flow paths 2; rather, the winding layers themselves
  • openings which connect the flow paths 2 or openings 4 completely in the edge region of the winding layers with the pole gap 1.
  • the edge area 3 of the winding layers then acts in this area as an additional cooling fin of each winding layer.
  • These openings can be provided on the outermost flow paths in each individual winding layer. 11 hen, but preferably only individual openings and / or individual winding layers carry such openings.
  • Winding layers do not necessarily have to be the same size and the edges of these openings do not necessarily have to be aligned with one another. This is shown even more clearly in FIG. 12, where the cross section of the openings 14 is selected to be smaller and larger in an alternating sequence.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 13 contains a displacement body 16 which, like the example in FIG. 6, is arranged in the pole gap between two adjacent legs.
  • the displacement body 16 of FIG. 13, however, has side surfaces 26 on which it is supported on the excitation windings of the two adjacent legs.
  • These supporting side surfaces 26 preferably extend practically over the entire length of the side edges of the winding layers, that is to say practically over the entire axial length of the two adjacent excitation windings.
  • He can e.g. be made of a light material, solid or have a cavity to reduce its mass. To improve the cooling, such a cavity can also be flowed through by the cooling medium.
  • the supporting outer surfaces 26 of the displacement body 16 are advantageously formed by one or more elastic intermediate layers 24, which compensate for the manufacturing tolerances of the field winding and of the displacement body. 12
  • Such a displacement body which bridges the entire distance between two adjacent field windings (ie pole gap 1), supports the pole windings against each other so that deformations of the field system are avoided. At the same time, the coolant flow can be divided and guided in an optimal manner.
  • the pole piece of which covers the outer edge region 3 and projects beyond the outer side edges of the winding layers so that it overlaps the displacement body 16.
  • the overlapped part and the supporting side surfaces of the displacement body 16 then represent a practically form-fitting mounting of the displacement body.
  • the flow paths 2 formed by the openings in the winding layers and the further flow paths 25 can thereby pass through outlet openings in the pole piece or - as in FIG. 14 is shown - to be guided around the overlapping part of the pole piece.

Landscapes

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Abstract

Zur besseren Kühlung der Erregerwicklungen einer grossen Schenkelpolmaschine, insbesondere für Wasserkraft, sind in den Wicklungslagen (4) der Erregerwicklungen (21) Strömungswege (2) eingearbeitet, die zusätzlich zu den Pollücken (1) Kühlmedium radial nach aussen führen.

Description

Beschreibung
Belüftungssystem für die Erregerwicklung großer Schenkelpolmaschinen
Die Erfindung betrifft ein Belüftungssystem für ein sternförmiges Erregersystem einer Schenkelpolmaschine, wobei ein gasförmiges Kühlmedium die Kühlung der Erregerwicklung forciert. Derartige Schenkelpolmaschinen finden im allgemeinen als Generatoren, insbesondere Wasserkraftgeneratoren, Anwendung.
In Figur 6 ist das Prinzip einer Schenkelpolmaschine dargestellt: An der zylindrischen Innenfläche eines Ständerteils 30 ist eine Wicklung 31, z.B. in Nuten eingelegte Spulen, um das um die Läuferachse 32 rotierende Erregersystem herum angeordnet. Dieses Erregersystem besteht aus sternförmig von der Läuferachse 32 ausgehenden Schenkeln, die in radialer Richtung magnetisiert werden und eine alternierende Polarität aufweisen. Im dargestellten Fall sind vier Paare derartiger Magnetpole vorgesehen, also acht Schenkel, die in tangentia- ler Richtung voneinander durch Pollücken 1 getrennt sind, die also tortenstückför ig sich jeweils zu einem Wicklungskopfraum 33 erweitern und über diese Wicklungskopfräume miteinander zusammenhängen. Die Magnetisierung jedes Schenkels er- folgt jeweils durch eine um einen Polschaft 20 verlaufende Erregerwicklung 21, in der Regel Flachkupferleiter oder ähnliche Leitungsbänder, die einzelne, jeweils durch Isolierschichten getrennten Wicklungslagen bilden. Zur Führung des erzeugten Magnetfeldes tragen die Polschafte jeweils einen Polschuh 10, der jeweils im Wicklungskopfraum 33 am Kopf der Erregerwicklung angeordnet ist. Das andere Ende jedes Polschafts 20 geht in ein Läuferjoch 12 über.
Dabei ermöglichen große Schenkelpolmaschinen, wie sie z.B. bei Leistungen im Megawatt-Bereich erforderlich sind, die Läuferachse 32 als Hohlachse auszubilden, um über den Hohlraum 34 ein Kühlmedium in die Pollücken einzuleiten, das dann 2 aus den Wicklungskopfräumen über entsprechende Auslässe im Ständerteil abgeführt werden kann.
Die in den Erregerwicklungen entstehenden Verluste müssen zur Begrenzung der Temperatur abgeführt werden und erfordern eine intensive Kühlung des Erregersystems. Die Realisierung der Kühlung erfolgt durch einen Kühlgas-Strom, der durch den zylindrischen Innenraum des Ständerteils geleitet wird, wofür zwei Varianten üblich sind:
Erstens: Die Eigenrotation des Läufers wirkt ohne zusätzliche Ventilatoren als Druckquelle für das Belüftungssyste . Der Stand der Technik wird dabei durch die DE-OS 195 15 260 repräsentiert .
Das gasförmige Kühlmedium tritt aus Schlitzen des Lauferj ochs und strömt radial in die Pollücke. Der Wärmestrom von den Flachkupferleitern (Wicklungslagen) zum Polschaft hin ist aufgrund des großen Wär ewiderstandes, bedingt durch die elektrische Isolierung zwischen Erregerwicklung und Polschaft, gering. Der Hauptteil des Wärmestromes wird daher auf der dem Polschaft abgewandten Seite der Erregerwicklung an die Kühlluft in der Pollücke und im Wicklungskopfräum abgegeben.
Die für die Kühlung wirksame Geschwindigkeit im Wicklungskopfraum an den Stirnseiten der Erregerwicklung ist wesentlich höher als in der Pollücke. Damit ist die Kühlung hier auch intensiver und die Leitertemperatur damit geringer.
Zur Vergrößerung der Kühlfläche befinden sich an den Flachkupferleitern auf der dem Polschaft abgewandten Seite Kühlrippen. Diese verlaufen in der Pollücke axial und im Stirngebiet in Umfangsrichtung. Da die in der Pollücke axial ange- ordneten Kühlrippen senkrecht zur radialen Richtung der Kühlmittelströmung stehen, erfolgt hier eine Queranströmung der Rippen. Die Wärmeübertragung derartiger Rippenanordnungen ist 3 nicht sehr intensiv. Das ist in bezug auf die Kühlung der Erregerwicklung ein wesentlicher Nachteil dieses Belüftungssystems .
Zweitens: Als Druckquelle dienen meistens zwei zu den Polen axial versetzte Ventilatoren, die eine axiale Strömung des Kühlmediums in die Pollücke erzwingen. Die Kühlung der Erregerwicklung erfolgt hier durch diese axiale Strömung des Kühlmediums, das anschließend radial in Ständerkühlkanäle strömt. Zur Intensivierung der Kühlung der Erregerwicklung können Maßnahmen zur Hinterlüftung zwischen Erregerwicklung und Polschaft vorgesehen werden. Dadurch erfolgt eine zusätzliche Wärmeabführung aus dem Gebiet zwischen Erregerwicklung und Polschaft. Der Stand der Technik derartiger Maßnahmen zur Hinterlüftung ist aus der EP 0 415 057 AI ersichtlich. Der Nachteil dieser kühltechnischen Lösung besteht in dem hohen konstruktiven und technologischen Aufwand.
Bei großen Vollpolmaschinen, die als Turbogeneratoren Anwen- düng finden, ist die Erregerwicklung in Nuten untergebracht. Um eine intensive Kühlung zu gewährleisten, befinden sich in Leitermitte innerhalb des Nutbereiches radiale Schlitze. Durch die Schlitze strömt das gasförmige Kühlmedium und kühlt die Erregerwicklungen. Eine derartige Anordnung der Leiter für Vollpolmaschinen ist Gegenstand der WO 92/20140. Diese kühltechnische Lösung ist für Schenkelpolmaschinen nicht geeignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die Erreger- wicklung großer Schenkelpolmaschinen eine hoch effektive kühltechnische Lösung zu schaffen, bei der durch einfache konstruktive Maßnahmen die Kühlfläche vergrößert wird und hohe Wärmeübergangszahlen erreicht werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß Öffnungen in den Wicklungslagen vorgesehen sind, die Strömungswege bilden, in denen das Kühlmedium ebenso radial nach außen ge- 4 führt wird, wie in den Pollücken, die aber entlang der dem Polschaft abgewandten Seite der Erregerwicklung durch das Innere der Wicklungen führen. Diese Strömungswege münden in den Wicklungskopfräum direkt bzw. in den in den Wicklungskopfräum übergehenden Teil der Pollücke. Diese fensterartigen Öffnungen in den Wicklungslagen der Erregerwicklung vergrößern die Kühlfläche wesentlich, vor allem im Bereich des Kopfes.
Durch die Querschnitte der Öffnungen, die beliebige Umrißkon- turen haben können, strömt die Kühlluft nahezu radial mit annähernd gleicher Strömungsgeschwindigkeit wie in der Pollücke .
Die Strömungswege können dabei geradlinig sein, sie können aber auch Biegungen aufweisen. Das Kühlmedium wird dabei ebenso radial nach außen geführt, wie in den Pollücken, es handelt sich also um eine "Parallelschaltung von zusätzlichen Kühlmedium-Strömen" . Diese "parallelen" Strömungswege entstehen dadurch, daß die in die Wicklungslagen (z.B. Flachkupfer- leiter) eingebrachten, fensterartigen Öffnungen nicht von den zwischen den Wicklungslagen angeordneten Isolierschichten überdeckt werden, und die in die Wicklungslagen eingearbeiteten Öffnungen übereinander liegen, wobei das Isoliermaterial jedoch geringfügig in die fensterartigen Öffnungen hineinra- gen kann. Um Überschläge zwischen den Wicklungslagen ("Windungschluß") zu vermeiden, dürfen die Ränder dieser fensterartigen Öffnungen keinen Grat besitzen.
In der Regel gehen die Strömungswege von Eintrittsöffnungen aus, die von entsprechenden Fenstern in der untersten Wicklungslage der Erregerwicklung gebildet werden, wobei die Kanten dieser Eintrittsöffnungen vorteilhaft abgerundet oder abgeschrägt sind.
Die Strömung wird beim Austritt aus dem Kopf bzw. den obersten Wicklungslagen und dem Polschuh durch konstruktive Detaillösungen nicht behindert. 5 Diese und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird die Kühlung der Erre- gerwicklung wesentlich intensiviert. Die damit mögliche Entwicklungsreserve kann unterschiedlich, z.B. zur Absenkung der Temperatur der Erregerwicklung oder zur Erhöhung der elektromagnetischen Ausnutzung, verwendet werden. Die Erregerwicklung von großen Schenkelpolmaschinen kann so material- und platzsparend realisiert werden. Es werden damit auch Wege zur Verbesserung des Wirkungsgrades, insbesondere durch die Reduzierung der Ventilationsverluste aufgrund der Intensivierung der Kühlung, erschlossen.
Der Vorteil der Erfindung ist auch darin zu sehen, daß sie sowohl für Neukonstruktionen als auch für die Umrüstung bestehender Maschinen angewendet werden kann.
Die Erfindung einschließlich vorteilhafter Ausgestaltungen soll nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben werden. Es zeigen:
FIG 1 Einen schematischen Querschnitt eines Sektors A der Figur 14, FIG 2 eine Aufsicht auf den äußeren Kantenbereich einer Wicklungslage und die fensterartigen Öffnungen zur Bildung der Strömungswege, FIG 3 einen schematischen Schnitt durch mehrere Wicklungslagen mit dazwischen liegenden Isolierschichten und durchgehenden Strömungswegen,
FIG 4 einen Schnitt durch Wicklungslagen mit Kühlflächen an den Außenkanten, FIG 5 einen Schnitt wie Figur 3 mit einem äußeren Kantenbereich geringerer Höhe der Wicklungslagen, FIG 6 einen Schnitt wie in Figur 1 mit einem Verdrängungskörper in der Pollücke, 6 FIG 7 einen Schnitt wie in Figur 1 mit einer Leiteinrichtung in der Pollücke, FIG 8 einen Schnitt wie in Figur 6 mit einem hohlen Ver- dr ngungskörper, FIG 9 einen Schnitt durch einen Wicklungskopf,
FIG 10 einen Schnitt durch einen Fuß einer Erregerwicklung, FIG 11 einen Schnitt wie Figur 3 mit seitlichen Durchbrüchen an den Strömungswegen, FIG 12 einen Schnitt wie Figur 4 mit Wicklungslagen, deren Öffnungen in alternierender Folge unterschiedliche
Querschnitte haben, FIG 13 einen Schnitt wie in Figur 6 mit einem an benachbarten Erregerwicklungen abgestützten Verdrängungskörper, FIG 14 einen Schnitt wie Figur 6 mit einem vom Polschuh übergriffenen Verdrängungkörper, FIG 15 die Aufsicht auf einen Schenkel mit einem Polschuh und der darunter liegenden Erregerwicklung, FIG 16 das bereits beschriebene Schema einer Schenkelpolma- schine.
Bauteile der gleichen Funktion tragen dabei gleiche Bezugszeichen.
Figur 1 zeigt die Führung des Kühlmediums im Gebiet der Pollücke 1 und durch die "parallelen" Strömungswege 2 im Bereich des Kopfes 3 eines oder mehrerer Flachkupferleiter 4, die die Wicklungslagen der Erregerwicklung 21 bilden. Die Wicklungslagen sind jeweils durch eine Isolierschicht 5 gegeneinander isoliert. Im Raum 13 zwischen Läuferjoch 12 und Erregerwicklung 21 erzwingt die Anordnung (bereits ohne zusätzliche Leiteinrichtungen) eine Aufteilung der Strömung einmal durch die Pollücke 1 und zum anderen durch die parallelen Strömungswege 2 im äußeren Kantenbereich 3 der Flachkupferleiter 4. 7 Im Raum 13 zwischen Erregerwicklung 21 und Lauferj och 12 können zusätzliche Leiteinrichtungen zur Aufteilung und Führung der Strömung des Kühlmediums angeordnet sein.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für rechteckige Öffnungen 14 in den äußeren Kantenbereichen 3 der Flachkupferleiter 4 und der Isolierschichten 5. Dabei zeigt die Aufsicht auf einen Wicklungskopf nach Figur 15, daß die Strömungswege mit den Öffnungen 14 auch einen kreisrunden oder einen beliebig anderen Querschnitt haben und in radialer Richtung an einem über den Polschuh 10 überstehenden Teil 35 des Wicklungskopfes in den Wicklungskopfräum münden können. Bevorzugt führen die Strömungswege in ungefähr radialer Richtung entlang denjenigen Außenflächen 36 der Erregerwicklung, die dem Pol- schaft abgewandt sind und zur Pollücke 1 hin weisen, also den Flächenstücken 36, die zwischen zwei Schenkeln liegen, während zwischen dem Polschuh und den Außenflächen 37, die die Erregerwicklung in axialer Richtung begrenzen, keine Strömungswege und Öffnungen vorgesehen zu sein brauchen.
Figur 3 zeigt bei übereinander liegenden Flachkupferleitern 4, die durch Isolierschichten 5 getrennt sind, wie die Öffnungen 14 in den äußeren Kantenbereichen 3 der Wicklungslagen 4 und Isolierschichten 5 die Strömungswege 2 zum Gebiet in der Pollücke 1 bzw. zum Wicklungskopfraum bilden. Die Öffnungen 14 aller Flachkupferleiter 4 und Isolierschichten 5 sind hier gleich, wobei die Isolierschichten 5 bis zum Rand der Öffnungen oder derart geringfügig darüber hinaus reichen, daß sie die Strömung praktisch nicht beeinträchtigen.
Figur 4 zeigt eine Anordnung entsprechend Figur 3. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs im Gebiet der Pollücke 1 und des Wicklungskopfraumes sind zusätzlich an den äußeren Kanten 3 der Flachkupferleiter 4 Kühlflächen 14 angeordnet, z.B. außen durchgehende oder unterbrochene axiale oder radiale oder am Fuß in sich gedrehte oder nadeiförmige Kühlrippen 15. Figur 5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausschnittes der Erregerwicklung 21 mit reduzierter Höhe der Wicklungslagen im äußeren Kantenbereich 3 der Flachkupferleiter 4. Die Isolierschichten 5 sind nur in dem Bereich mit nicht reduzierter Höhe angeordnet. Sie können auch geringfügig in das Gebiet mit reduzierter Höhe hineinragen. Im Bereich mit reduzierter Höhe entsteht eine offene Verbindung (Durchbruch) zwischen der Pollücke 1 und den Strömungswegen 2 im Kantenbereich. Diese Ausführung hat den Vorteil, daß das Entgraten der Ränder der Öffnungen 14 der Flachkupferleiter 4 entfallen und ein Austausch der Strömung zwischen dem Gebiet der Pollücke 1 und den parallelen Strömungswegen 2 erfolgen kann.
Im Schnitt der Figur 6 ist in der Pollücke 1 ein langgestreckter Verdrängungskörper 16 erkennbar für eine Schenkelpolmaschine, deren Kühlmedium über Schlitze 11 im Läuferjoch 12 zugeführt wird. Der Verdrängungskörper 16 ist in axialer Richtung (etwa parallel zur Läuferachse) ausgerichtet. Er er- streckt sich über den größeren Teil der axialen Länge der
Schenkel. Dadurch ist es möglich, die Kühlmittelgeschwindigkeit in der Pollücke 1 und den Strömungswegen 2 zu erhöhen.
Figur 7 zeigt die schematische Schnittdarstellung eines Aus- führungsbeispiels mit zusätzlichen Kühlrippen auf den äußeren Seitenkanten der Flachkupferleiter 4 und Leiteinrichtungen 17 einer Schenkelpolmaschine, bei der der Kühlmittelstrom ebenfalls aus Schlitzen 11 des Läuferjochs 12 austritt. Die Leiteinrichtungen 17 erstrecken sich in axialer Richtung über den größeren Teil der axialen Länge der Schenkel in der Pollücke 1. Jede Leiteinrichtung 17 besteht aus einem Befestigungsteil 23 und aus einer oder mehreren Leitschaufeln 22. Die Leitschaufeln 22 ragen vom Befestigungskörper 23 aus schräg in die radiale Strömung (Anstellwinkel α bevorzugt kleiner als 90°) und sind im weiteren Verlauf gerade oder gekrümmt. Bevorzugt entspricht die Ausdehnung der Leitschaufeln 22 in der zur Läuferachse parallelen Richtung etwa der Aus- 9 dehnung der Schlitze 11 in dieser axialen Richtung. Vorzugsweise ist die Anzahl der Leitschaufeln nicht größer als die Anzahl der Schlitze. Für das in radialer Richtung strömende Kühlmedium bietet die Pollücke einen Strömungsquerschnitt, der erheblich größer ist als der von den Leiteinrichtungen eingenommene Querschnitt.
Zur besseren Strömungsführung können die Leitschaufeln 22 in axialer Richtung zusätzliche Begrenzungen besitzen und bezüg- lieh der zur Läuferachse tangentialen Richtung schräg angeordnet sein. Durch die Anordnung der Leiteinrichtungen 17 in der Pollücke 1 treten im Bereich der Leiteinrichtungen 17 hohe Strömungsgeschwindigkeiten auf und die Strömung erhält bevorzugt an den Kühlflächen der Erregerwicklung in der Pol- lücke eine axiale Komponente.
Figur 8 zeigt schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel für Schenkelpolmaschinen, bei denen der Kühlmittelstrom aus Schlitzen 11 des Läuferjochs 12 austritt, wobei hohle Ver- drängungskörper 18 mit Austrittsdüsen 19 zur Erregerwicklung hin vorgesehen sind. Die hohlen Verdrängungskörper 18 sind in axialer Richtung über den größeren Teil der Pollänge in der Pollücke 1 angeordnet. Der hohle Verdrängungskörper 18 ist zum Raum 13 zwischen Erregerwicklung 21 und Läuferjoch 12 of- fen, so daß der Kühlmittelstrom aus den Schlitzen 11 des Läuferjochs 12 direkt in die Hohlkörper einströmen kann. Die axiale Länge eines Hohlkörpers 18 ist vorzugsweise größer oder entspricht etwa der axialen Länge eines Schlitzes 11 des Lauferjochs 12 und ihre Zahl ist bevorzugt nicht größer als die Anzahl der Schlitze 11 des Läuferjochs 12. Der düsenartige Austritt 19 kann gerade sein oder gedreht, wobei eine zusätzliche Umlenkung erfolgt, so daß die Strömung eine axiale Komponente erhält. Innerhalb des Hohlkörpers 18 können zusätzliche Leiteinrichtungen angeordnet sein.
In Figur 9 ist der Wicklungskopf einschließlich der Seitenkanten vom Polschuh 10 überdeckt, d.h. die über den Polschaft 10 20 überstehende Länge des Polschuhs 10 ist gleich der Breite der Flachkupferleiter 4. Bei diesem Ausführungsbeispiel haben die oberen bzw. der obere Flachkupferleiter 9 Durchbrüche 8 nach außen.
Der Fuß einer Erregerwicklung kann mit Eintrittsöffnungen 6 im unteren Flachkupferleiter 7 ausgebildet sein, wie Figur 10 zeigt. Zur Verminderung der Eintrittsverluste sind die Kanten der Eintrittsöffnungen 6 abgerundet.
Wie in Figur 5 kann gemäß der schematischen Darstellung in Figur 11 bei einem anderen Ausführungsbeispiel jeweils der äußere Kantenbereich 3 der Wicklungslagen eine geringere Höhe (Ausdehnung in radialer Richtung) aufweisen als der Bereich der Wicklungslagen zwischen dem Polschaft 20 und diesem äußeren Kantenbereich 3. Dabei erstrecken sich die Isolierschichten nur über diesen Zwischenbereich, d.h. sie erstrecken sich nicht oder nur geringfügig in den Kantenbereich 3 mit der reduzierten Höhe. Bevorzugt befinden sich die die Strömungswege bildenden Öffnungen in den Wicklungslagen in diesem Kantenbereich mit reduzierter Höhe, wobei die Zwischenräume zwischen den Wicklungslagen der reduzierten Höhe Durchbrüche frei lassen, die die Strömungswege mit der Pollücke verbinden. Derartige Durchbrüche zur Pollücke können zur effektiven Kühlung der Erregerwicklung beitragen. Abweichend von Figur 5 ist daher in Figur 11 durch unterbrochene Linien angedeutet, daß zur Bildung der Strömungswege 2 nicht in jedem Fall fensterartigen Öffnungen 14 in den Wicklungslagen erforderlich sein müssen, die vollständig vom Material der Wicklungslagen umge- ben sind; vielmehr können auch die Wicklungslagen selbst
Durchbrüche aufweisen, die die Strömungswege 2 bzw. Öffnungen 4 vollständig im Kantenbereich der Wicklungslagen mit der Pollücke 1 verbinden. Der Kantenbereich 3 der Wicklungslagen wirkt dann in diesem Bereich als zusätzliche Kühlrippe jeder Wicklungslage . Diese Durchbrüche können jeweils an den äußersten Strömungswegen in jeder einzelnen Wicklungslage vorgese- 11 hen sein, vorzugsweise tragen jedoch nur einzelne Öffnungen und/oder einzelne Wicklungslagen derartige Durchbrüche.
Ferner ist durch die unterbrochenen Linien in Figur 11 be- reits angedeutet, daß die Durchbrüche 14 in den einzelnen
Wicklungslagen nicht notwendig gleiche Größe haben müssen und die Kanten dieser Durchbrüche nicht notwendig miteinander fluchten müssen. Dies ist noch deutlicher in Figur 12 gezeigt, wo der Querschnitt der Öffnungen 14 in alternierender Folge kleiner und größer gewählt ist.
Das Ausführungsbeispiel nach Figur 13 enthält einen Verdrängungskörper 16, der ebenso wie im Beispiel der Figur 6 in der Pollücke zwischen zwei benachbarten Schenkeln angeordnet ist. Der Verdrängungskörper 16 der Figur 13 weist jedoch Seitenflächen 26 auf, an denen er an den Erregerwicklungen der zwei benachbarten Schenkel abgestützt ist. Diese abstützenden Seitenflächen 26 erstrecken sich bevorzugt praktisch über die ganze Länge der Seitenkanten der Wicklungslagen, also prak- tisch über die ganze axiale Länge der zwei benachbarten Erregerwicklungen. Er kann z.B. aus einem leichten Material massiv hergestellt sein oder zur Verringerung seiner Masse einen Hohlraum haben. Zur Verbesserung der Kühlung ist ein derartiger Hohlraum ebenfalls von dem Kühlmedium durchströmbar. In Figur 13 ist dargestellt, daß in den Verdrängungskörper (genauer: in den Bereich, der den abstützenden Außenflächen 26 benachbart ist) zur Verbesserung der Kühlung weitere Strömungswege 25 eingearbeitet sind, die die Umgebung des Polfußes mit dem Wicklungskopfraum verbinden und die Kühlung der Wicklungslagen verbessern.
Außerdem sind vorteilhaft die abstützenden Außenflächen 26 des Verdrängungskörpers 16 von einer oder mehreren elastischen Zwischenlagen 24 gebildet, die Fertigungstoleranzen der Erregerwicklung und des Verdrängungskörpers ausgleichen. 12 Ein derartiger Verdrängungskörper, der den gesamten Abstand zweier benachbarter Erregerwicklungen (also die Pollücke 1) überbrückt, stützt die Polwicklungen gegeneinander ab, so daß Verformungen des Erregersystems vermieden werden. Gleichzei- tig kann dadurch der Kühlmittelstrom in optimaler Weise aufgeteilt und geführt werden.
Den besten mechanischen Halt würde eine Füllmasse bieten, die praktisch die ganze Pollücke zwischen den Erregerwicklungen bis zum Läuferjoch ausfüllt und nur geeignete Zutrittskanäle zu den Strömungswegen 2 und zu den weiteren Strömungswegen 25 ausspart. Da aber die Zufuhr des Kühlmediums durch eine hohle Läuferachse und entsprechende Austrittschlitze in der Läuferachse eine große Bauweise voraussetzt, ist das Ausgießen der entsprechend großen Pollücken fertigungstechnisch nur schwer durchführbar. Günstiger ist daher, einen vorgefertigten Verdrängungskörper - gegebenenfalls mit den erwähnten elastischen Zwischenlagen 24 - zu verwenden, der dann (z.B. mit einer Vergußmasse) an den Erregerwicklungen befestigt wird. Eine weitere Möglichkeit der mechanischen Halterung zeigt Figur 14, deren Polschuh den äußeren Kantenbereich 3 überdeckt und soweit über die äußeren Seitenkanten der Wicklungslagen übersteht, daß er den Verdrängungskörper 16 übergreift. Der übergriffene Teil und die abstützenden Seitenflä- chen des Verdrängungskörpers 16 stellt dann eine praktisch formschlüssige Halterung des Verdrängungskörpers dar. Die von den Öffnungen in den Wicklungslagen gebildeten Strömungswege 2 und die weiteren Strömungswege 25 können dabei durch Austrittsöffnungen im Polschuh hindurch oder - wie in Figur 14 gezeigt ist - um den übergreifenen Teil des Polschuhs herum geführt werden.
Die in den Unteransprüchen und den Beschreibungen der einzelnen Figuren angegebenen Merkmale können in vorteilhafter Weise miteinander zu weiteren Ausführungsbeispielen kombiniert werden.

Claims

13 Patentansprüche
1. Belüftungssystem für ein sternförmiges Erregersystem einer Schenkelpolmaschine mit sich radial von einer Läuferachse nach außen erstreckenden Schenkeln (34) , die in tangentialer Richtung voneinander durch jeweils in einen Wicklungskopfräum übergehende Pollücken (1) getrennt sind und einen Polschaft (20) , eine um den Polschaft (20) umlaufende Erregerwicklung (21), insbesondere mindestens einen Flachkupferleiter (4), mit mehreren Wicklungslagen (7, 9) und zwischen den Wicklungslagen angeordneten Isolierschichten (5) , und einen an einem Kopf der Erregerwicklung angeordneten Polschuh (10) aufweisen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Öffnungen (14) in den Wicklungslagen (4, 5, 7, 9) Strömungswege (2) bilden, die entlang der dem Polschaft abgewandten Seite (36) jeder Erregerwicklung verlaufen und direkt oder wenigstens über die Pollücke (1) in den Wicklungskopfräum münden.
2. Belüftungssystem nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Raum (13) zwischen der Erregerwicklung (21) und einem von einem Fuß des Schenkels gebildeten Läuferjoch (12) zusätzliche Leiteinrichtungen (17, 22, 18, 19) eingebracht sind.
3. Belüftungssystem nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß an der Außenseite der Erregerwicklung (21) Kühlflächen, z.B. außen durchgehende oder unterbrochene axiale oder radiale oder an ihrem Fuß in sich gedrehte oder nadeiförmige Kühlrippen (15), angeordnet sind.
4. Belüftungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Strö- mungswege (2) nur entlang der zur Pollücke (1) weisenden Außenfläche (36) der Erregerwicklung ausgebildet sind. 14
5. Belüftungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Strömungswege über mehrere seitliche Durchbrüche mit der Pollücke
(1) verbunden sind.
6. Belüftungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein äußerer Kantenbereich (3) jeder Wicklungslage eine geringere Höhe aufweist als der Bereich der Wicklungslagen zwischen dem Polschaff (20) und dem äußeren Kantenbereich (3) , und daß sich die Isolierschichten (5) höchstens geringfügig in den Kantenbereich (3) erstrecken.
7. Belüftungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Polschuh (10) den Kopf der Erregerwicklung praktisch ganz überdeckt und die Strömungskanäle an der Außenseite der Erregerwicklung seitlich über die Öffnungen (14) in die Pollücke (1) münden .
8. Belüftungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Strömungskanäle an einer unteren Wicklungslage (7) von Öffnungen (6) mit einem abgerundeten oder angeschrägten Rand ausgehen.
9. Belüftungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Öffnungen (14) der beim Schichten aufeinander folgenden Flachkupferleiter (4) in alternierender Folge unterschiedliche Strömungsquerschnitte aufweisen.
10. Belüftungssystem nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß in der Pollücke (1) ein langgestreckter Verdrängungskörper (16), dessen Längsrichtung praktisch parallel zur Läuferachse ausgerichtet ist, angeordnet ist.
15 11. Belüftungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß in der Pollücke (1) eine Leiteinrichtung (17) mit einem Befestigungsteil (23) und Leitschaufeln (22) angeordnet sind, wobei die Leitschaufeln (22) bevorzugt in der zur Läuferachse parallelen Richtung etwa die gleiche Ausdehnung haben wie Schlitze (17) , durch die Kühlmedium radial in die Pollücke einleitbar ist.
12. Belüftungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sich in der Pollücke (1) mindestens ein langgestreckter hohler Verdrängungskörper (18) in Richtung der Läuferachse erstreckt, der zur Erregerwicklung (21) hin Austrittsdüsen besitzt, wo- bei der hohle Verdrängungskörper (18) zum Raum (13) zwischen der Erregerwicklung (21) und einem am unteren Ende des Polschafts angeordneten Läuferjoch (12) offen ist.
13. Belüftungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Pollücke (1) zwischen zwei benachbarten Erregerwicklungen (21) einen Verdrängungskörper (16) mit Seitenflächen enthält, die an diesen zwei Erregerwicklungen (21) angestützt sind.
14. Belüftungssystem nach Anspruch 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die abgestützten Seitenflächen des Verdrängungskörpers (16) jeweils von mindestens einer elastischen Zwischenlage gebildet werden.
15. Belüftungssystem nach Anspruch 13 oder 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Verdrängungskörper (16) praktisch an der gesamten axialen Länge der Schenkel an den Erregerwicklungen abgestützt ist. 16
16. Belüftungssystem nach einem der Ansprüche 13 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß weitere Strömungswege (25) in radialer Richtung durch den Verdrängungskörper (16) im Bereich jeder abgestützten Außenfläche (26) führt.
17. Belüftungssystem nach einem der Ansprüche 13 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Polschuh (10) den Verdrängungskörper (16) oben übergreift.
18. Belüftungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß alle Strömungswege strömungstechnisch mit einem Hohlraum in der Läuferachse verbunden sind.
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