DE2943608A1 - Gasgekuehlter rotor einer elektrodynamischen maschine - Google Patents

Description

GASGEKÜHLTER ROTOR EINER ELEKTRODYNAMISCHEN MASCHINE

Die Erfindung bezieht sich auf einen Rotor einer elektrodynamischen Maschine, dessen Kühlung durch ein Gas bewirkt wird, das in in den Wicklungsnuten vorhandenen Kanälen zirkuliert.

Im einfachsten Fall wird das Kühlgas in bekannten Systemen axial von beiden Stirnseiten des Rotors dem Nutengrund, d.h. dem Nutenbereich, der sich unter den Leiterst<>ben befindet, zugeführt. Die Begriffe "oben" und "unten" beziehen sich hier auf den achsfernen bzw. achsnahen Nutenbereich. Vom Nutengrund wird das kühle Gas in gleichmäßig verteilte radiale Durchlässe eingespeist, die direkt in die Leiterstäbe der Wicklung eingearbeitet sind.

Beim Durchströmen der Nuten nimmt das Gas die Verlustleistung der Wicklung auf und gelangt auf höherem Temperaturniveau in den Luftspalt zwischen Rotor und Stator.

Die Erwärmung des Gases und der örtliche Temperaturabstand zwischen der Temperatur der Kupferleiter und dem Gas hängen vom Pegel der abzuführenden Verlustleistung und der inneren Geometrie der Kühlkanäle ab.

In der FR-PS 1 449 036 ist eine Anordnung mit abwechselnd seitlich verschobenen Kühlkanälen beschrieben. Aus der FR-PS 2 241 905 ist ein Vorschlag bekannt, die unteren Nutbereiche durch ein Gas zu kühlen, das in transversalen Kanälen zirkuliert und vom Nutengrund her über einen radialen

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zentralen Kanal zugeführt wird, während es in den Luftspalt über radiale laterale Kanäle ausströmt (die radiale Richtung ist die einer Geraden, die mit der Achse einen rechten Winkel einschließt; die Längs- oder Axialrichtung ist die zur Rotorachse parallele Richtung und die transversale Richtung verläuft senkrecht sowohl zur Längsrichtung als auch zur Radialrichtung} , Bei diesem Kühlsystem werden die oberen Bereiche der Nut durch ein Gas gekühlt, das in transversalen Kanälen strömt, die parallel ausgehend vom Luftspalt über einen radialen seitlichen Kanal versorgt werden, während das Gas zum Luftspalt über einen anderen Seitenkanal zurückströmt. Die radialen seitlichen Kanäle der unteren und oberen Nutenbereiche sind kontinuierlich derart» daß in gewissen trans— TOrsalen Kanälen das vom Luftspalt kommende Gas sich mit dem ■vom Nutengrund kommenden Gas mischt,

In dem erstgenannten Kühlsystem ergibt sich ein

Sachteil aufgrund der Tatsache* da8 das Kühlgas im oberen Teil der Nut wärmer als das Kühlgas ist unteren Teil der Nut

diesen
ist» da es i/unteren Teil bereits vorher durchströmt hatte.

Damit ist die Kühlung im oberen Bereich weniger wirkungsvoll als Lm unteren Bereich.

Das an zweiter Stelle genannte Kühlsystem ist verhältnismäßig komplex und daher teuer» denn es benötigt ein Gasversorgungssysteia für den Nutengrusd und aerodynamische Systeme* die die Rotation des Hotors für die Abführung des <sases aus dem Luftspalt ausnutzen» Außerdem hängt die korrekte Druckverteilung und der Gasdurchsatz durch die Kanäle vom

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Verhältnis zweier Größen ab. Die Drehgeschwindigkeit des Rotors bestimmt die eine dieser Größen, nämlich den Differentialdruck, dar durch die aerodynamischen Ansaug- und Auslaßsysteme im Luftspalt erzeugt wird. Die zweite Größe ist die Druckdifferenz zwischen dem Nutengrund und dem Luftspalt. Sie hängt hauptsächlich von der Länge der Strecke ab, die das Gas am Nutengrund vom Eintritt in den Rotor her zu durchlaufen hatte. Eine bedeutende Relativverschiebung dieser beiden Größen kann in gewissen Fällen zu einer schlechten Verteilung des Gases und zu einem ungenügenden Kühleffekt in gewissen transversalen Kanälen führen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein =einfaches und wirksames Kühlsystem anzugeben, mit dem die mittlere Erwärmung der Wicklungen und der Temperaturabstand zwischen den oben liegenden und den unten liegenden Leiterstäben verringert werden können.

Diese Aufgabe wird durch den in Anspruch 1 gekennzeichneten Rotor gelöst. Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen wird auf die Unteransprüche verwiesen.

Der erfindungsgemäße Rotor benutzt also die aus der FR-PS 1 449 035 bekannte Kanalanordnung im unteren Nutenbereich, während im oberen Nutenbereich Querrillen in die Kupferstäbe eingearbeitet sind, die in jedem elementaren Axialabschnitt parallel zueinander zwischen einem radialen Führungskanal und einem radialen Abführungskanal angeordnet sind.

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In aerodynamischer Hinsicht hat man also zuerst eine alternierende radiale Kanalanordnung und dann eine Vielzahl von Kanälen nach Art eines Wärmetauschers.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mithilfe der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch die Nut eines bekannten Rotors,

Fig. 2 zeigt einen entsprechenden Schnitt eines erfindungsgemäßen Rotors, wobei die Rotorachse senkrecht zur Zeichenebene verläuft,

Fig. 3 zeigt in Perspektive die Anordnung der Kühlkanäle in einem axialen Nutenabschnitt des Rotors gemäß Fig* 2_t

Fig. 4 zeigt in Perspektive einen Leiterstab 18 im oberen Nutenbereich des Rotors gemäß Fig. 2,

Fig. 5 zeigt von oben die Stapelung zweier Leiterstäbe 18 aus Fig. 4,

Fig. 6 zeigt ^ion oben einen Leiter stab im unteren Nutenbereich des Rotors gemäJ Fig» 2#

Fig. 7 zeigt in Perspektive eine Variante eines Leiterstaba 19 , der im Vergleich zu Fig* 4 außenllegende Radialkanäle 34 und 38 aufweist,und

Fig, 8 zeigt einen Schnitt durch den erfindungs— geaäfles Hotor, aas de» die iags der Säten 2O und ihre Verteilung auf dem Umfang des um seine Achse 50drehenden Rotors hervorgeht.

Die Anordnung der Kühlkanäle in einer Nut geraäfl der FR-PS 1 449 O36 geht aus Fig. 1 hervor. Die Wickluögsetabe 1O2

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liegen in einer Nut 104, welche parallel zur Achse in die äußere Mantelfläche des Rotors 106 eines Turbowechselrichters eingearbeitet ist. Die Drehrichtung des Motors ist durch einen Pfeil 108 angedeutet_;und die Drehachse steht senkrecht auf der Zeichenebene. Die Wicklung wird durch ein Kühlgas gekühlt, das axial durch einen unter der Nut liegenden Kanal i10 zugeführt wird. Dieses Gas strömt dann im wesentlichen radial der Mantelfläche des Rotors entgegen, wobei die Gasströmung abwechselnd durch einen zentralen radialen Kanal (erst der Kanal 112, dann der Kanal 113) und durch zwei zueinander parallele seitliche Radialkanäle (erst die Kanäle

verläuft 114 und 116 und dann die Kanäle 118 und 120)'/T*Schließlich gelangt das erwärmte Gas durch eine Öffnung im Nutenverschlußkeil 122 in den Luftspalt der Maschine.

Im Vergleich hierzu ist in Fig. 2 der Strömungsverlauf in einem erfindungsgemäßen Rotor dargestellt. In einem axialen Abschnitt P wird eine Nut 20 durch einen am Nutengrund vorgesehenen axialen Kanal 1 mit frischem Kühlgas für die in der Nut vorgesehenen Leiterstäbe 2 versorgt.

Im unteren Bereich A sind radiale Kanäle 3 und 4 mit Rechteckquerschnitt in derselben Art wie in Fig. 1 vorhanden. Im oberen Bereich B strömt das Gas dagegen parallel durch eine Vielzahl von transversalen Kanälen geringen Querschnitts, die parallel über einen radialen Kanal 6 versorgt und über einen weiteren radialen Kanal 7 entsorgt werden. Die Anzahl der transversalen Kanäle sowie die AuI teilung in die beiden Bereiche A und B werden unter Berücksichtigung der

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Länge des axialen Abschnitts P so gewählt, daß eine wirksame Kühlung im achsfernen Bereich erfolgt.

Die Verbindung der Kanäle zwischen den beiden Bereichen erfolgt über einen transversalen Kanal, der die radialen Kanäle 4 und 6 miteinander verbindet. Vom radialen Kanal 7 gelangt das erwärmte Gas über Kanäle 9 und 10, die unter dem Nutenverschlußkeil 12 angeordnet sind, sowie über Löcher Il in diesem Keil in den Luftspalt 13 (Bereich C).

Um diese Gasführung zu erreichen, verwendet man im unteren Bereich nur Leiterstäbe mit radialen Schlitzen, während im oberen Nutenbereich Leiterstäbe verwendet werden, die außerdem noch Querrillen aufweisen.

Im Rahmen der Erfindung könnte in der unteren Zone a uch ein einziger durchgehender radialer Kanal anstelle des dargestellten Systems verwendet werden^und im oberen Nutenbereich könnten die radialen Kanäle 6 und 7 auch ganz am Huten- rsnä verlaufen oder einen nach oben hin abnehmenden Querschnitt auf der Versorgungsseite 6 und einen zunehmenden Querschnitt auf der Entsorgungsseite 7 aufweisen.

Das Kühlsystem gemäß der Erfindung eignet sich besonders gut für Maschinen mit verhältnismäßig tiefen Nuten, d.h. mit einer Nutentiefe größer als ±5 cm.

Bei derartigen Maschinen raüBfce man, falls man die transversalen Kanäle über die ganze Nutenhöhe verteilen wollte, entweder andere Kanalquerschnitte im oberen als im unteren Bereich verwenden, was nur unter hohen Kosten möglich ist, oder groSe unterschiede im Durchsatz zwischen den verschiedenen transversalen Kanälen in Kauf nehmen.

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Der in Fig. 4 dargestellte Leiter besteht a 3 einem Kupferstab, dessen Breite die ganze Nutenbreite abgesehen von nicht dargestellten seitlichen Isolationsschichten in Anspruch nimmt. In jedem Längsabschnitt < as Leiters entsprechend einem Axialabschnitt des Rotors f. adet man zwei radiale Schlitze 6 und 7, wobei die Längsach: 3 de:, Schlitzes parallel zur Rotorachse verläuft. Die Obers« ite jedes Leiterstabs 18 oder eines Leiterstabs von zweier oder dreien ist außerdem mit Querrillen 40 versehen, die di* Form von Kreisbögen mit konstantem Krünunungsradius besitzer. Wie Fig. 5 zeigt, ist die Krümmungsrichtung von einem Leit >rstab zum nächstdarüberliegenden umgekehrt, wodurch verhinde -t wird, daß das Stabpaket sich unter dem Einfluß der Zen ;rifugalkraft einseitig verformt.

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Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE

   I -J Rotor einer elektrodynamischen Maschine, dessen

   hlung durch ein Gas bewirkt wird, das in in den Wicklungsnuten vorhandenen Kanälen zirkuliert, dadurch gekennzeichnet, daß in den achsnahen, d.h. unteren Nutenbereich eingelegte Leiterstäbe (Fig. 6) der Wicklung radiale, schlitzförmige Kanäle (3,4) aufweisen,

   strömt durch die das Kühlgas im wesentlichen in radialer Richtung^ während die in den achsfernen, d.h. oberen Nutenbereich eingelegten Leiterstäbe (18,19) der Wicklung Querrillen (8,40) und radiale Kanäle (6,7,34,38) aufweisen, wobei die radialen Kanäle die Querrillen parallel miteinander verbinden.

   2 - Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten eine größere Tiefe als 15 cm aufweisen.

   3 - Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Querrillen (8,40) entlang einer Kurvenlinie verlaufen und daß

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   ORIGINAL INSPECTED

   *^A

   die Krümmungsrichtung dieser Kurvenlinien von einer Leiterschicht zur nächsten umgekehrt ist.

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