CH649422A5 - Rotor einer elektrischen maschine. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Rotor einer elektrischen Maschine, bei dem die Rotorwicklung in Nuten eingelegt und gegen die während des Betriebes auftretenden Kräfte durch aufgeschrumpfte Ringe aus nichtmagnetischem Metall gesichert ist.

Die Grenzleistung von z.B. zweipoligen Turbogeneratoren wurde in den vergangenen 30 Jahren von etwa 100 auf heute 1000 MVA gesteigert, wobei die Abmessungen der Maschinen auch nicht annähernd in dem selben Masse vergrössert werden mussten. Zum Hauptteil wurde diese Entwicklung ermöglicht durch immer bessere Kühlmethoden und eine dadurch bedingte bessere Ausnützung des aktiven Leitermaterials (Wasserkühlung), zu einem geringeren Teil durch Einsatz besserer Materialien und Herstellungsmethoden.

Ein weiterer Schritt in Richtung einer Leistungssteigerung ist in der Zeitschrift «Elektrotechnik und Maschinenbau» 89 (1972), Heft 1, S. 1 bis 11 bzw. der AT-PS 292 833 aufgezeigt. Da die Synchronreaktanz mit zunehmender Maschinenaus-nützung immer grösser wird, wird dort vorgeschlagen,

anstelle eines immer grösser auszuführenden Luftspaltes Stator und Rotor zahnlos auszuführen. Bei einer solchen Bauart ersetzt der eisenlose Wicklungsraum den Luftspalt zum Grossteil. In dem zahnlosen Läufer sind die Wicklungsleiter in ihrem geraden Teil übereinander in mehreren, durch Zylindermantelflächen begrenzenden Schichten angeordnet. Die Leiter radial benachbarter Schichten sind dabei in Umfangs-richtung je um eine halbe Leiterbreite versetzt. Der Rotor weist eine Mehrzahl von Stegen auf, welche zur Übertragung des Momentes und der Herstellung eines konzentrischen Sitzes für einen aus überlappten Rohren aufgebauten, auf den Rotor aufgeschrumpften Mantel aus nichtmagnetischem Stahl dienen. Dieser Stahlmantel hat neben der Wicklungsbefestigung die Aufgabe, die Welle zu entlasten.

Aus der DE-OS 25 00 782 ist ebenfalls ein zahnloser Rotor bekannt, bei dem die Rotorwicklung durch Ringe und zwischen diesen und der Wicklung angeordnete ausdehnbare Vorrichtungen (mit Kunstharz unter Druck gefüllte und ausgehärtete Ringe) fixiert ist.

In gleicher Richtung zielen die Vorschläge in «Proc. IEE» Vol. 120, No. 12, December 1973, S. 1507 bis 1518, wo ein vollständig zahnloser Turbogenerator beschrieben ist. Die Rotorwicklung ist auf einem vollständig glatten Stahlzylinder angeordnet und mittels Bandagen oder Ringen aus Stahl, Titan oder kohlefaserverstärkten Kunststoffen gehalten. Einschlägiger Stand der Technik ergibt sich ferner aus folgenden Druckschriften: DE-C 327 519, FR-A 104 6221, DE-C 113 225, FR-A 544 062, GB-A 378 920, GB-A 1 352 320, FR-A 320 376, CH-A 150 720, FR-A 2 024 091 und FR-AI 2 258 033.

Die vorliegende Erfindung greift nunmehr diese nun fast schon ein Jahrzehnt zurückliegende Idee der Erhöhung des magnetisch wirksamen Querschnitts im Rotor auf. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotor der eingangs genannten Art zu schaffen, der bei gegenüber konventionellen Rotoren gleichbleibenden Rotordurchmesser einen wesentlich höheren magnetischen Fluss führen kann, ohne dass grundlegend neue Fertigungstechnologien und Materialien eingesetzt werden müssen und ohne dass die Betriebssicherheit der ' Maschine beeinträchtigt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäss ein Rotor der im Anspruch 1 angegebenen Gattung dadurch weitergebildet, dass die Ringe überlappungsfrei und voneinander beabstandet auf den Rotorkörper aufgeschrumpft sind.

Beim erfindungsgemässen Rotor sind Nutzverschlusskeile und entsprechend ausgebildete Zahnköpfe entbehrlich. Die Rotorwicklung liegt näher am Luftspalt. Damit vergrössert sich der magnetisch wirksame Rotorquerschnitt um bis zu 30%. Im Aktivteil hat dieser Rotor nur diejenigen Beanspruchungen zu ertragen, die aus seiner Eigenfliehkraft entstehen. Zentrifugalkräfte der Wicklung werden ihm nicht mehr zugemutet. Die mechanischen Eigenschaften des verwendeten Stahls können deshalb gegenüber seinen magnetischen Eigenschaften in den Hintergrund treten.

Mit der erfindungsgemässen Rotorkonstruktion, bei der die tragende Funktion der Zähne entfällt, ist es möglich, zwischen den Polzonen nur je eine breite Nut zu fräsen und die Wicklung insgesamt darin unterzubringen. Gemäss einer

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bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes sind jedoch Einzelnuten mit je zwei neben- und zwei übereinanderliegenden Leitern bei zweipoligen Maschinen, bzw. zwei neben- und drei übereinanderliegenden Leitern bei vierpoligen Maschinen vorgesehen. Auf diese Weise wird die Leiterisolation bei aussergewöhnlichen Betriebsbedingungen (Drehmomentstösse im Kurzschluss und dgl.) weniger belastet. Darüber hinaus liegen die Ringe auf ihrem Umfang gleichmässiger an.

Insgesamt ist der Wegfall tiefer Nuten im Rotor noch in anderer Hinsicht sehr vorteilhaft: der Wellendurchmesser auf der Antriebsseite kann im selben Masse anwachsen wie der Kerndurchmesser des Rotors. Damit kann - bei gleicher Torsionsbeanspruchung der Welle - ca. das doppelte Drehmoment von der Arbeitsmaschine zum Generator übertragen werden.

Gemäss einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ist die axiale Länge der Ringe kleiner als der halbe Aussendurchmesser des Rotors. Vorzugsweise liegt das Verhältnis der axialen Länge 1 der Ringe zur Polteilung Tp = 7id/2p, worin d den Rotoraussendurchmesser und p die Polpaarzahl bedeuten, zwischen den Werten 0,05 und 0,25. Bei zweipoligen Rotoren und Rotordurchmessern von 1250 mm sind demnach die Ringe zwischen 100 und 500 mm lang. Diese Bemessung der axialen Länge der Ringe stellt einen Kompromiss zwischen zwei gegensätzlichen Forderungen dar: zum einen muss angestrebt werden, die Anzahl der Ringe auf ein vernünftiges Mass zu beschränken, da jeder Ring in axialer und tangentialer Richtung gesichert werden muss; zum anderen haben «lange» Ringe einen wesentlichen Einfluss auf die elektrischen/magnetischen Eigenschaften der Maschine. Die Rotoroberflächenverluste, bestehend aus den elektrischen Verlusten durch Ankeroberwellen, Pulsation, Inversfeld und den mechanischen Verlusten durch Reibung im Luftspaltgas, fallen zur Hauptsache in den Ringen an. Durch Erhöhung der Anzahl und damit einhergehender Verkürzung der Ringe ist es möglich, den Entstehungsort der elektrischen Verluste (vor allem Inversfeld - und zum Teil Ankeroberwellenverluste) in die unter den Ringen liegende Dämpferwicklung zu zwingen, die in Bezug auf Material (i.d.R. Kupfer) und Kühlung (durch die unmittelbar benachbarte gekühlte Rotorwicklung oder auch direkte Kühlung der Dämpferwicklung) dieser Aufgabe besser gerecht wird. Ebenfalls mit abnehmender Ringlänge erhöht sich (in gewünschter Weise) die subtransiente Reaktanz während der Anteil des Stosskurzschlussmomentes auf die Ringe abnimmt.

Die Ringe tragen lediglich den axial verlaufenden Teil der Wicklung und nicht, wie die Rotorkappen, daneben auch noch die stirnseitigen Spulenverbindungen im Rotorwickelkopf. Sie können deshalb bei gleicher mechanischer Beanspruchung mit wesentlich geringerer Wanddicke als die Endkappen hergestellt werden. Während die radiale Dicke der Rotorkappen bei den heutigen Rotoren ca. 120 mm beträgt, genügt für die Ringe eine Dicke von etwa 60 mm bei gleichem Material.

Jeder Ring ist nach der in Anspruch 4 gekennzeichneten Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes in den Polzonen axial und tangential gesichert. Die axiale Sicherung erfolgt dabei dadurch, dass an der inneren Oberfläche jedes Ringes mindestens ein nasenartiger Vorsprung in einer oder beiden Ringendzonen vorgesehen ist, und der Rotorkörper in der Polzone entsprechende, zumindest nach einer Dämpferwicklungsnut hin offene Ausnehmungen in den Zähnen aufweist. Zur tangentialen Sicherung der Ringe sind in die den Ausnehmungen benachbarten Dämpferwicklungsnuten ein- oder mehrteilige Schlossstücke eingeschoben, die entweder Bestandteil der Dämpferwicklung sind oder eigenständige Bauteile darstellen. Letztgenannte Massnahme hat praktisch keine Auswirkungen auf die elektrischen Eigenschaften des Rotors, da lediglich ein Teil der Dämpferwicklung in den Polzonen ihrer eigentlichen Aufgabe entzogen wird.

Zum Ausgleich der Trägheitsmomente in Pol- und Neutralachse des Rotorkörpers sind gemäss einer Weiterbildung der Erfindung orthogonal zur Rotorachse verlaufende Querschlitze in den Polzonen vorgesehen, die sich über die gesamte Breite der Polzonen erstrecken und deren Tiefe annähernd der Tiefe der Erregerwicklungsnuten entspricht. Ihre Breite beträgt zwischen 5 und 10 mm. Sie verteilen sich gleichmässig über die gesamte Aktivteillänge und werden so gelegt, dass sie vorzugsweise mit den Trennfugen der Ringe zusammenfallen. Damit wird einer sonst möglichen Relativbewegung zwischen den Ringen und der Rotoroberfläche im Betrieb entgegengewirkt.

Jeder der Ringe ist vorzugweise mittig mit einer Balanciernut versehen. Diese Nut hat hammerkopf- oder schwalben-schwanzförmigen Querschnitt. In diese Nuten können vorzugsweise zweiteilige, klemmbare Ausgleichsgewichte eingesetzt werden. Die Nuttiefe beträgt dabei vorzugsweise % der Ringdicke. Diese Nuten erfüllen darüber hinaus noch den Zweck, die Ringe in elektrischer bzw. magnetischer Hinsicht zu unterteilen: Ringe mit einer derart ausgebildeten Nut wirken in elektrisch/magnetischer Hinsicht wie zwei Einzelringe. Damit reduzieren sich gesamthaft gesehen die elektrischen Verluste pro Ring, während die subtransiente Reaktanz des (ganzen) Rotors aufgrund der weiteren Unterteilung in gewünschter Weise wächst.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Gegenüberstellung eines konventionellen Turbogenerators und einem solchen nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Nutquerschnitt eines konventionellen Rotors (Fig. 2a) und eines Rotors nach der Erfindung (Fig. 2b),

Fig. 3 einen Radialschnitt durch einen zweipoligen Turbogeneratorrotor mit einer Zweischicht-Erregerwicklung und einer Dämpferwicklung,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen Rotor gemäss Fig. 3 entlang deren Linie A-A,

Fig. 5 einen weiteren Längsschnitt durch einen Rotor gemäss Fig. 3 entlang deren Linie B-B, in grösserem Massstab,

Fig. 6 einen Radialschnitt durch einen Rotor gemäss Fig. 5 entlang deren Linie C-C,

Fig. 7 einen Schnitt durch eine Balanciernut mit darin verspanntem Ausgleichsgewicht.

Bei einem konventionellen Rotor, wie er in der linken Hälfte der Fig. 1 veranschaulicht ist, sind im Rotorkörper 1 axial verlaufende Nuten 2 zur Aufnahme einer Erregerwicklung eingefräst. Wie aus Fig. 2a hervorgeht, besteht diese aus übereinanderliegenden, gegeneinander isolierten Wicklungsleitern 3. Die Wicklungsleiter 3 weisen je eine zentrale Bohrung 4 auf, durch die ein Kühlmittel, z.B. Wasser, hindurch-leitbar ist. Über den Wicklungsleitern 3 liegt ein Dämpferwicklungsleiter 5. Die Nut ist durch einen Nutkeil 6, der sich an den Rotorzahnköpfen 7 abstützt, abgeschlossen. Der Nutkeil 6 sichert in Verbindung mit den entsprechend ausgebildeten äusseren Enden der Rotorzähne 7 die Erreger- und Dämpferwicklung gegen die Einwirkung von Fliehkräften, während die Abstützung in Umfangsrichtung über die Zahnflanken erfolgt. In der Polzone P sind ebenfalls Nuten 8 zur Aufnahme der gleichmässig über den Rotorumfang verteilten Dämpferwicklung 5 vorgesehen, deren Zahnköpfe 9 eine ähnliche Ausgestaltung aufweisen wie die Rotorzähne 7.

Bei dem erfindungsgemässen Rotor, wie er in der rechten

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Hälfte der Fig. 1 bzw. in Fig. 3 schematisch dargestellt ist, verlaufen die Nuten 2' zur Aufnahme der Erreger- und Dämpferwicklung ebenfalls axial. Die Nut- bzw. Zahnflanken sind vollständig eben. Gleiches gilt für die in der Polzone P angeordneten Dämpferwicklungsnuten 8' bzw. die Zähne 9'. Die Nuttiefen von Erreger- und Dämpferwicklungsnuten sind gegenüber einem konventionellen Rotor wesentlich kleiner. Bei den Dämpferwicklungsnuten 8' reduziert sich die Tiefe mindestens um die Dicke eines Nutkeils. Bei den Erregerwicklungsnuten 2' hingegen reduziert sich die Nuttiefe (in der hier dargestellten Ausführungsform eines zweipoligen Rotors) um eine Keildicke und zwei Wicklungsleiterdicken. Es liegt selbstverständlich im Rahmen der Erfindung, Nutbreite und Tiefe so zu bemessen, dass vier Wicklungsleiter und ein Dämpferwicklurigsleiter bei einer zweipoligen Maschine je in einer Nut übereinander liegen, oder dass (wiederum bei zweipoligen Maschinen) alle vier Wicklungsleiter nebeneinander in einer Nut angeordnet sind. Die in Fig. 1 (rechte Hälfte) bzw. Fig. 2b und Fig. 3 dargestellte Anordnung stellt jedoch ein Optimum zwischen idealer Belagswicklung und Beherrschung auf die Wicklungsleiter einwirkender Tangentialkräfte dar.

Erregerwicklung und Dämpferwicklung sind gegen die während des Betriebes auftretenden Fliehkräfte durch aufgeschrumpfte Ringe 10 aus nichtmagnetischem Stahl, wie er beispielsweise auch für die Rotorkappen verwendet wird, gesichert, dessen Dicke d 10 bei einer 800-MVA-Maschine etwa 60 mm beträgt. Diese Ringe liegen im Luftspalt L, wie aus Fig. 2b hervorgeht, wo der zugehörige Stator der Maschine durch dessen Statorzähne 11 symbolisiert ist. Ein Vergleich der Lagen von Erreger- und Dämpferwicklung in den Figuren 2a und 2b zeigt deutlich, dass bei gleichem wirksamem Luftspalt L die Erfindung eine wesentlich weitergehende Annäherung an eine ideale Belagswicklung ermöglicht, als es bei konventionellen Rotoren der Fall ist.

Wie aus dem Längsschnitt gemäss Fig. 4 hervorgeht, sind eine Vielzahl von gegenüber dem Rotordurchmesser d schmalen Ringen 10 auf den Rotorköper 1 aufgeschrumpft. Die Ringe stützen sich auf den Rotorzähnen T bzw. den Dämpferzähnen 9' ab. Inwieweit dabei die in den Nuten 2' bzw. 8' liegenden Wicklungen zusammengepresst sind, ist von untergeordneter Bedeutung, da unter Fliehkrafteinwirkung diese Wicklungen an den Ringinnenseiten anliegen. Zwischen den einzelnen Schrumpfringen ist jeweils ein kleiner Spalt 12 in der Grössenordnung weniger Millimeter vorhanden, um eventuellen Walkbewegungen zwischen den Ringen zu begegnen. Jeder Ring weist mittig eine umlaufende, in sich geschlossene Balanciernut 13 auf. Sie hat hammerkopf- oder schwalbenschwanzförmigen Querschnitt. In diese Nuten können im Bedarfsfall zweiteilige Ausgleichsgewichte 14a, 14b eingesetzt werden (Fig. 7). Die beiden Teile 14a, 14b weisen 5 eine Gewinde- bzw. Durchgangsbohrung auf und werden durch einen Gewindebolzen 15 mit einseitig festem sechskantigem Bund 16 in der Balanciernut 13 verspannt. Nach Lösen des Gewindebolzens 15 und Hineinschrauben in das Teil 14a lässt sich das Teil 14b in Umfangsrichtung der Nut 13 ver-io schieben, worauf auch das Teil 14a entfernt werden kann. Zur elektrischen Isolation beider Teile 14a, 14b untereinander ist zwischen dem Bund 16 und Teil 14b eine Isolierscheibe 20 vorgesehen. Das in die Bohrung in Teil 14b hineinragende Ende des Gewindebolzens 15 trägt eine Isolierhülse 21. 15 Ausser durch die Schrumpfverbindung sind die Ringe zusätzlich in axialer und tangentialer Richtung gesichert. Zu diesem Zweck weist jeder Ring 10 auf seiner Innenseite nasenartige Vorsprünge 16 auf (Fig. 5, Fig. 6). Die In Umfangsrichtung gemessene Breite der Vorsprünge entspricht 20 etwa der Breite der Dämpferzähne 9'. Ihr Abstand voneinander beträgt ein ganzzahliges Vielfaches der Nutteilung. In den Dämpferzähnen 9' sind an entsprechenden Stellen in Umfangsrichtung verlaufende Ausnehmungen 17 vorgesehen, in welche die nasenartigen Vorsprünge 16 der Ringe 10 ein-25 greifen.

Bei der Montage werden die vorgängig auf eine Temperatur von annähernd 250 °C, z.B. induktiv erwärmten Ringe 10 derart auf den bewickelten Rotor aufgeschoben, dass die nasenartigen Vorsprünge 16 in freigelassene Dämpfernuten 30 8* zu liegen kommen. Am vorgesehenen Ort werden die Ringe um eine Dämpferzahnbreite verdreht. Zur tangentialen Sicherung der Ringe 10 werden anschliessend Schlossstücke 18 in die Dämpfernuten 8* eingeschoben. Diese können -müssen aber nicht - axial unterteilt sein. Durch geeignete 35 Ausbildung der Stossstellen, z.B. durch endseitige Überlappungsstellen (nicht dargestellt) und Verwendung von elektrisch gutleitendem Material (Kupfer) bilden die Schlossstücke auch bei Unterteilung einen Teil der Dämpferwicklung. Zum Ausgleich der Trägheitsmomente in Pol- und Neu-40 tralachse des Rotors sind orthogonal zur Rotorachse verlaufende Querschlitze 19 im Rotorkörper 1 vorgesehen (Fig. 5). Sie erstrecken sich über die gesamte Breite der Polzone P und sind etwa gleich tief wie die Erregerwicklungsnuten 2'. Ihre Breite beträgt zwischen 5 und 10 mm. Sie verteilen sich 45 gleichmässig über die gesamte Länge des Aktivteils und fluchten mit den Spalten 12 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ringen 10.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

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1. Rotor einer elektrischen Maschine, bei dem die Rotorwicklung in Nuten eingelegt und gegen die während des Betriebes auftretenden Kräfte durch aufgeschrumpfte Ringe aus nichtmagnetischem Material gesichert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringe (10) überlappungsfrei und voneinander beabstandet auf den Rotorkörper (1) aufgeschrumpft sind.

2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge (1) der Ringe (10) kleiner ist als der halbe Aussendurchmesser (d) des Rotors.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der axialen Länge (1) der Ringe zur Polteilung (tp) zwischen den Werten 0,05 und 0,25 liegt.

4. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringe in den Polzonen (P) axial und tangential gesichert sind.

5. Rotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der inneren Oberfläche der Ringe (10) im Polzonenbereich nasenartige Vorsprünge (16) in einer oder beiden Ringendzonen vorgesehen sind, und der Rotorkörper (1) in den Polzonen (P) entsprechende, zumindest nach einer Nut (8') hin offene Ausnehmungen (17) aufweist, wobei in zumindest eine der den Ausnehmungen (17) benachbarten Nuten ein- oder mehrteilige Schlossstücke (18) eingeschoben sind.

6. Rotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlossstücke (18) Bestandteil der Dämpferwicklung (5) sind.

7. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in den Poizonen (P) orthogonal zur Rotorachse verlaufende, sich über die gesamte Polzone erstreckende Querschlitze (19) im Rotorkörper (1) vorgesehen sind.

8. Rotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschlitze (19) annähernd mit den Spalten (12) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ringen (10) fluchten und dass die Tiefe der Schlitze annähernd der Nuttiefe der Erregerwicklung (3) entspricht.

9. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringe (10) mit mindestens einer vorzugsweise mittig angeordneten, in sich geschlossenen Balanciernut (13) vorgesehen sind.

10. Rotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuttiefe der Balanciernut (13) maximal % der Ringdicke (dio) ist.

11. Rotor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass in die Balanciernut (13) zweiteilige, vorzugsweise voneinander isolierte Ausgleichsgewichte (14a, 14b) lösbar eingesetzt sind (Fig. 7).

12. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem zweipoligen Rotor die Wicklungsleiter (3) in einer Erregerwicklungsnut (2') nebeneinander und in zwei Schichten übereinander angeordnet sind, bei einem vierpoligen Rotor in drei Schichten übereinander angeordnet sind.