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Läufer für eine dynamoelektrische Maschine mit direkt gekühlten Läuferleitern
Die Erfindung betrifft einen Läufer für eine dy-
namoelektrische Maschine
mit in axial verlaufenden Nuten angeordneten, direkt gekühlten Läuferleitern aus
aufeinandergeschichteten Einzelleitern, die in Radialrichtung des Läufers von Ausnehmungen
durchsetzt werden, die in benachbarten Einzelleitern derart in Stablängsrichtung
versetzt sind, daß in den Läuferleitern Kühlkanäle entstehen, die in axial entgegengesetzten
Richtungen schräg durch die Läuferleiter verlaufen.
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Zur Kühlung der Läuferwicklung von elektrischen Generatoren sind die
verschiedensten Anordnungen bekannt. Für große Maschinen bedient man sich meistens
der sogenannten »Luftspaltspeisung«, d. h., das Kühlmittel wird mindestens
teilweise aus dem Luftspalt in den Läufer eingespeist und tritt aus diesem auch
wieder in den Luftspalt aus. Bei dieser Art der Kühlung werden keine großen Verdichter
und keine hohen Drücke im Maschinenmantel benötigt, um eine genügende Gasmenge in
Umlauf zu halten, und es ergibt sich eine gleichförmigere Temperaturverteilung längs
des Rotors unter Vermeidung eines Hitzestaues im Mittelteil der Leiter als bei Einspeisung
des Kühlmittels von den Läuferenden.
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Es ist bekannt, in den Seiten der Einzelleiter längsverlaufende Nuten
als Kühlkanäle vorzusehen (USA.-Patentschrift 2 661434). Weiterhin sind gewellte
Abstandsstücke bekannt, die zum Kühlmitteldurchfluß zwischen den Leiterstäben und
den Nutwänden angebracht werden (USA.-Patentschrift 2664512). Auch die Verwendung
eines gewellten Gitters ist bekannt, das im Innenraum der Einzelleiter eingefügt
ist, so daß das Kühlmittel in Längsrichtung durch die Läufer strömen kann (USA.-Patentschrift
2 791707). Auch ist ein direkt gekühlter Läufer bekannt, bei dem schräg durch
die Keile und Zähne gegen die Drehrichtung Ansaugkanäle und mit der Drehrichtung
Auslaßkanäle gebildet sind, die den Kühlmittelfluß in Verbindung mit Kühlkanälen
in der Läuferwicklung vom und zum Luftspalt ermöglichen (E. und M.,
1956, S. 272).
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Bei diesen bekannten Kühlanordnungen ist keine so gleichmäßige Temperaturverteilung
gewährleistet, daß die Gefahr örtlicher überhitzungen mit Sicherheit vermieden wird,
da keine gleichmäßige Kühlmittelverteilung gewährleistet ist.
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Es ist auch bekannt, örtliche Erhitzungen infolge ungleichmäßiger
Kühlgasaufnahme oder Stauungen und Verstopfungen in einzelnen Teilen durch eine
besondere Strömungsführung zu vermeiden (AIEE-Trans., Part 111, 1956, S. 260
bis 268), die jedoch kompliziert ist. Weiterhin ist bekannt, in den Einzelleitern
Aussparungen vorzunehmen, die bei den aufeinandergestapelten Einzelleitern eines
Leiterpakets mindestens teilweise übereinanderliegen und so radiale, axiale oder
diagonale Kühlkanäle im Leiterpaket selbst bilden (deutsche Patentschrift
679 856).
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Der Erfindung liegt die Augabe zugrunde, einen Läufer mit einer Kühlung.
der letztgenannten Art zu schaffen, der sich durch eine vergrößerte Wärmeübergangsfläche
und sehr kurze Wärmeübergangswege zwischen den einzelnen Leiterteilen auszeichnet.
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Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Einzelleiter
in axialer Richtung mindestens zwei parallele Reihen von Aussparungen in Form von
Langlöchern aufweisen, wobei jede Reihe für sich eine Anzahl von parallelen Kühlkanälen
bildet, die in benachbarten Reihen diagonal in entgegengesetzten Richtungen verlaufen
und lediglich am Nutengrund miteinander verbunden sind.
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Die einfache und billige Konstruktion gemäß der Erfindung vermeidet
örtliche überhitzungen, eine Schwächung der Nutisolation infolge Durchbrechungen
oder mangelnde Führung der Isolation, Kanäle in den Läuferzähnen und besondere und
teure Gitter, Profile oder Kanaleinarbeitungen in. die Leiter. Die erzielte Temperaturverteilung
ist sehr gleichmäßig, und die Kühlung des Nutengrundes, die gewöhnlich
am
schwierigsten ist, gestaltet sich einfach und wirksam.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der überwiegende Teil
der Einzelleiter gelocht, d. h., entlang der Reihe von Aussparungen befindet
sich mehr Aussparung als Kupfer. Hierdurch entstehen sehr breite oder sehr nah beieinander
befindliche Kühlkanäle, die eine gute Wärmeableitung und eine sehr gleichmäßige
Temperaturverteilung sicherstellen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung - der Erfindung wechseln
sich in Axialrichtung des Läufers an dessen Oberfläche Zonen, in denen nur Einlaßöffnungen
von Kühlkanälen liegen, mit Zonen,' in denen nur-Auslaßöffnungen von Kühlkanälen
liegen, miteinander ab. Diese durch ein einfaches Strömungsmuster erzielbare Anordnung
bringt erhebliche konstruktive Vereinfachungen mit sich. Zum ersten vereinfacht
sie die Ausbildung des Nutenkeils, der dadurch nicht dringend für jede Kühlkanahnündung
eine Durchbrechung zum Luftspalt enthalten muß, sondern diese Durchbrechungen zum
Einlaß bzw. Auslaß des Kühlmediums, falls erwünscht, in bequem erscheinender Weise
über die jeweilige Zone verteilen kann, sofern dazwischen ein Ausgleichsraum vorgesehen
wird. Diese vorteilhafte Anordnung der Eintritts- und Austrittsöffnungen vereinfacht
ferner die Anordnung von eventuell im Ständer in den entsprechenden Zonen vorgesehenen
Absaugöffnungen für das Kühlmittel.
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Einer anderen Weiterbildung der Erfindung zufolge bestehen die Verbindungen
am Nutengrund aus Zwischenräumen, von denen jeder die radial inneren Enden von mindestens
einem, Kühlmittel schräg nach innen leitenden Kühlkanal und einem durch eine benachbarte
Lochreihe gebildeten, in entgegengesetzter Richtung schräg verlaufenden, Kühlmittel
nach außen zu einer Auslaßzone leitenden Kühlkanal miteinander verbindet. Von diesen
Zwischenräumen gebildete Kanimern verbinden also in einfacher Weise die Kühlkanäle
am Nutengrund und ermöglichen so eine besonders wirksame Nutengrundkühlung. Die
beschriebene Anordnung eignet sich vor allem für die Verwendung von zwei parallelen
Reihen von Aussparungen. Für diesen vorzugsweisen Fall stellt sie eine nach Konstruktion
und Wirkungsweise besonders einfache Verbindung der Kühlkanäle dar und vermeidet
doch scharfe Änderungen der Strömungsrichtung, die zu einer Abbremsung des Kühlmittelstroms
führen würden.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung gibt eine Kühlgaszufuhr an,
bei der mindestens einer der diaü,onal verlaufenden Kühlkanäle in Verbindung mit
einer vom Läuferende aus etwa axial verlaufenden Bodennut steht. Durch diese Einspeisung
von Kühlmittel vom Läuferende wird ein Höchstmaß von Kühlmitteldurchsatz erreicht.
Die Anordnung einer Bodennut an den Läuferenden ermöglicht zudem ein günstiges Strömungsmuster
und nutzt die Zentrifugalwirkung des sich drehenden Läufers zur Erzeugung eines
Druckunterschiedes zwischen Bodennut und Luftspalt aus.
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Die Erfindung soll nun in Verbindung mit praktischen Ausführungsbeispielen
an Hand der Zeichnung näher erläutert werden.
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F i g. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Wicklungsmit des Läuferkörpers
einer elektrischen Maschine, die zur deutlicheren Darstellung des Strömungs# musters
stark vereinfacht ist; F i g-. 2 zeigt eine Aufsicht auf ein Stück ein -es Leiterstabes,
der gemäß der Erfindung ausgebildet ist; Fig. 3 zeigt eine teilweise im Schnitt
gehaltene Seitenansicht des Leiterstabes längs der EbeneA-A in Fig. 2; F i
g. 4 zeigt eine teilweise im Schnitt gehaltene, perspektivische Ansicht des
in F i g. 1 mit IV bezeichneten Teiles des Läufers; F i g. 5 zeigt
eine teilweise im Schnitt gehaltene, perspektivische Ansicht des in F i
g. 1 mit V bezeichneten Teiles des Läufers, und F i g. 6 zeigt eine
Abwandlung des in F i g. 1 dargestellten Strömungsmusters.
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Die beispielsweise Ausführungsform betrifft einen Läufer, bei dem
die Wicklung aus Einzelleitem aufgebaut ist, die einen im wesentlichen rechteckigen
Querschnitt besitzen und mit einer doppelten Reihe von länglichen Aussparungen versehen
sind, die aus den Leiterstäben längs des Nutteils des Leiters ausgestanzt sind.
Die Reihen von Aussparungen in den Einzelleitem sind geringfügig gegenüber denen
der oben und unten benachbarten Einzelleiter versetzt, so daß die Aussparungen eine
Anzahl von diagonal verlaufenden Kanälen für das Kühlinittel bilden. Die Reihe auf
der einen Seite des Einzelleiters ist außerdem gegenüber der anderen Reihe von Aussparungen
versetzt, so daß sich die eine Lochreihe in bezug auf die andere vom einen Einzelleiter
zum nächsten verschiebt. Die diagonalen Kühlmittelkanäle auf der einen Seite des
Leiterstabes verlaufen daher in der entgegengesetzten Richtung schräg durch das
Stabpaket, wie die diagonalen Kanäle auf der anderen Seite der Leiterstäbe. Wenn
die Einzelleiter aufeinandergeschichtet werden, entsteht also eine Anzahl von Kühlmittelkanälen
mit schräg verlaufenden, sich kreuzenden Richtungen, durch die das Kühlmittel sowohl
in Längsrichtung als auch in radialer Richtung durch alle Leiterschichten strömt.
Die diagonal nach innen gerichtete Strömung geht nach Durchlaufen einer speziellen
Kammer am Boden der Nut in eine diagonal nach außen gerichtete Strömung über.
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F i g. 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine Nut im
Mittelkörper 1 eines Läufers. Die Wellensturnmel des Läufers sind nicht dargestellt.
Das Kühlmittel strömt durch schematisch angedeutete, unmittelbare Kühlungskanäle
2, durch eine Lage von Kriech- oder Ausgleichsblöcken 3 und durch eine Lage
von Nutkeilen 4 zu und von dem Luftspalt zwischen dem Läuferumfang und der Ständerbohrung.
Der Ständer ist in der Zeichnung nicht dargestellt, er ist natürlich entsprechend
ausgebildet und liefert in den beispielsweise durch die Klammern 5 und
6 angedeuteten Eintrittszonen für das Kühlmittel einen radial nach innen
gerichteten Strom des Kühlmittels, wie an sich bekannt ist. In
entsprechender
Weise sind in der Ständerbohrung entsprechende Absaugeöffnungen vorgesehen, die
in durch Klammern angedeutete Auslaßzonen 7, 8
und 9 das radial austretende
Kühlmittel absaugen. Unterhalb der Wicklungsnuten verlaufen über einen Teil der
Länge des Läufers Bodenmiten 10, die zur Zuführung von Kühlgas von den Enden
des * Läufers dienen. Der Kühlgasstrom von den Enden kann durch nicht dargestellte
Gebläse bewirkt werden, die auf dem Läufer angebracht sind oder durch eine automatische
Pumpwirkung des Rotors infolge der
Zentrifugalkraft in einer dem
Fachmann bekannten Weise. Die Anordnung zur Zuführung und Ab-
nahme von Kühlgas
zum und vom Läufer durch Luftspaltspeisung und endseitige Speisung mittels Bodennuten
10 ist an sich bekannt und bildet keinen Teil der vorliegenden Erfindung.
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F i g. 2 zeigt eine Aufsicht auf einen Teil eines Leiterstabes,
bei dem eine erste Reihe von Aussparungen 12 und eine zweite Reihe von Aussparungen
13 vorgesehen sind. F i g. 3 zeigt eine Anzahl von zusätzlichen Leitern
14, 15 und 16, die unter dem Einzelleiter 11 angeordnet sind.
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Die Einzelleiter 11, 14, 15, 16 usw. besitzen
einen rechteckigen Querschnitt und jeweils Aussparungen 12, 13, die einfach
durch eine Stanzmaschine hergestellt sein können. Man kann sie auch herausbohren
oder fräsen. Da die Form sehr einfach ist, kann mit einem Mehrfachstempel oder mit
einer automatisch gespeisten Lochstanze gearbeitet werden.
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Es ist zu erwähnen, daß die Aussparungen 12, 13
nicht senkrecht
zur Leiteroberffäche verlaufen, sondern mit dieser einen gewissen Winkel einschließen.
Ein schräges Stanzen ist nicht unbedingt erforderlich, man erreicht dadurch jedoch
eine Vergrößerung der Querschnittsfläche der durch die Aussparungen gebildeten Kanäle.
Da die Einzelleiter bezüglich ihrer Durchbrechungen gegeneinander versetzt sind,
würden sich außerdem bei senkrecht verlaufenden Durchbrechungen vorstehende Ecken
bilden, die entsprechend der Dicke des Einzelleiters etwas in den Kanal hineinragen
und damit ihn verengen. Die Aussparungen 12 sind nach links geneigt, wie aus F i
g. 2 und 3 ersichtlich ist, während die Aussparungen 13
nach
rechts geneigt sind.
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Die einzelnen Aussparungen 13 besitzen im Einzelleiter 14 denselben
Abstand in Längsrichtung wie im Einzelleiter 11. Der Einzelleiter 14 ist
jedoch in Längsrichtung um die Strecke s gegenüber den darüber- und darunterliegenden
Einzelleitern verschoben; es ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, daß die Strecke,
um die die benachbarten Einzelleiter gegeneinander verschoben sind, im ganzen Leiterstab
gleich ist. Die Aussparungen 13 bilden also einen Kühlmittelkanal, der schräg
zur Läuferachse verläuft, wie die strichpunktiert gezeichnete Mittellinie
17 eines Kühlkanals zeigt. Die Schräge 18 an den Enden der Aussparungen
13 muß nicht unbedingt mit der Neigung der Mittellinie 17 des Kanals
übereinstimmen. Die Ränder 19, 20 der Einzelleiter springen dadurch etwas
in den Kühlmittelkanal ein, so daß die Strömung verwirbelt wird und zusätzliche
Fläche für den Wärmeübergang zwischen Leiterstab und Kühlgas entsteht.
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Der Abstand in Längsrichtung zwischen der Aussparung 12 auf der einen
Seite des Einzelleiters und der Aussparung 13 auf der anderen Seite ist in
Fig* 2 mit t bezeichnet. Der Abstand t ändert sich von einem Einzelleiter zum nächsten,
so daß sich die eine Reihe von Aussparungen in bezug auf die andere von Einzelleiter
zu Einzelleiter verschiebt. Um ein symmetrisches Strömungsmuster zu bekommen, bei
dem die durch die Aussparungen 12 gebildeten Kanäle mit der Läuferachse den umgekehrt
gleichen Winkel einschließen wie die durch die Aussparungen 13 gebildeten
Kanäle, muß die Änderung des Abstandes t von einem Einzelleiter zum anderen das
Doppelte des Betrages der Versetzung s betragen. Natürlich kann man auch andere
Anordnungen und Abstände, die andere Strömungsmuster ergeben, verwenden, bei dem
hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Anordnung der Aussparungen jedoch
in der oben angegebenen Weise getroffen.
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F i g. 4 zeigt einen Nutkeil 21 und einen Ausgleichsblock 22,
die zur Festlegung der Wicklung in einer Läufernut 23 dienen. Der Keil 21
verhindert in bekannter Weise eine radiale Bewegung der Wicklung und greift mit
schwalbenschwanzartigen Nasen 21 a in entsprechende Längsnuten 24 in den Seitenwänden
der Läufernut 23. Die Keile 21 enthalten eine Anzahl von Eintrittsöffnungen
21 b, durch die das Kühlgas vom Luftspalt der Maschine aufgenommen und radial
nach innen weitergeleitet wird.
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Der Ausgleichsblock 22 kann aus einem Stück bestehen, bei der dargestellten
Ausführungsform ist er jedoch aus mehreren Teilen aufgebaut. Er besteht aus einem
isolierenden Material, wie z. B. einem Polyester-Glasgewebe-Schichtstoff. Ein rechtes
und ein linkes Seitenteil 22 a, 22 b bilden mit einem mittleren Teilerstück
22c eine Mittelöffnung 25. Die Mittelöffnung deckt sich mit dem unteren Ende
des Kanals21b im Nutkeil21, Das Mittelteil22e des Ausgleichsblockes enthält ferner
ein Strömungsteilerstück 22d, das den Kühlmittelstrom in zwei Teile teilt.
Das Mittelteil 22c und die beiden Seitenteile 22a, 22b bilden auf der Uwerseite
des Ausgleichsblockes 22 zwei langestreckte öffnungen 22 e. Der Ausgleichsblock
dient also als übergangsglied, das den Kühlmittelstrom in der Mittelbohrung
25 aufnimmt, ihn in zwei Teile teilt und dann aus länglichen öffnungen 22
e, die sich mit den Schlitzen 12 und 13 in den Einzelleitern decken, austreten
läßt.
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Die Feldwicklung besteht aus aufeinandergeschichteten Einzelleitern
26, die durch eine verhältnismäßig schwache Leiterisolation 27 voneinander
und durch eine starke Nutisolation 28 von den Wänden der Läufernut
23 getrennt sind. Die Einzelleiter sind mit Aussparungen 12, 13 versehen,
wie in Verbindung mit F i g. 2 und 3 näher beschrieben wurde, die
diagonal verlaufende Kühlkanäle bilden. Die Aussparungen 12, 13 im obersten
Einzelleiter decken sich mit den länglichen öffnungen 22 e an der Unterseite der
Ausgleichsblöcke. Die Einzelleiter 26
liegen unten am Boden der Nut
23 auf einem Kanalteil 29 auf, das auf beiden Seiten der Nut mit nach
außen vorspringenden radialen Flanschen 29a versehen ist. Durch den so gewährleisteten
radialen Ab-
stand entsteht ein Zwischenraum 30 zwischen dem untersten
Leiterstab und dem Steg 29 b des Teiles 29.
Das Gas kann auf diese
Weise quer zur Aussparung in den Zwischenraum30 strömen, und die durch die Aussparungen12
und 13 gebildeten Kanäle werden auf diese Weise verbunden. An bestimmten
Punkten ist der Zwischenraum 30 in Längsrichtung des Läufers durch Zwischenstücke
31 in Zonen aufgeteilt. Das Zwischenstück 31 sperrt die Verbindung
zwischen den verschiedenen Zonen des Zwischenraumes 30. Um den verfügbaren
Raum bestmöglich auszunutzen, wird das Kanalteil 29 vorzugsweise durch einen
aktiven elektrischen Leiter gebildet und bildet entweder allein oder zusammen
mit
einer oder mehreren direkt darüberliegenden Lagen in üblicher Weise den untersten
Einzelleiter der Wicklung.
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In F i g. 5 der Zeichnung ist der Teil des Läufers genauer
dargestellt, der in F i g. 1 durch die Klammer V begrenzt ist. Hier sind
die Nutkeile 32 mit
Austrittsöffnungen 33 versehen,
die sich in ihrer Form geringfügig von den oben beschriebenen Eintrittsöffnungen
unterscheiden, da sie aerodynamisch so entworfen sind, daß das Gas, anstatt einzutreten,
aus ihnen austritt. Durch die Keile 32 werden Ausgleichsblöcke 34, die genauso
geformt sein können wie die in Verbindung mit F i g. 4 erläuterten Ausgleichsblöcke
22, in ihrer vorgesehenen Lage gehalten. Die Keile 32 und die Ausgleichsblöcke
34 dienen, wie oben, zur Fixierung der in der Nut 23
liegenden Einzelleiter
26.
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Das Kanalteil 29, auf dem die Wicklungen 26
ruhen, erfordert
eine zusätzliche Lagerschiene 35,
die auf in die Seiten der Nut eingeschnittenen
Schultern 23 a ruht. Die:. Lagerschiene 35 ist nur da vorhanden, wo
eine zusätzliche Abstützung über der Bodenmit 10 nötig ist.
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In Längsrichtung beabstandete Öffnungen 29c, 28 a und 35
a sind . hn Kanalteil 29, der Nutisolation 28 und der Lagerschiene
35 vorgesehen. Das in Längsrichtung durch die Bodennut 10 strömende
Gas kann somit durch die Öffnungen 29 c, 28 a,
35 a
radial nach außen in den Zwischenraum 30 zwischen dem untersten
Leiter und, dem Steg des Kanals 29
eintreten. Eine freie Strömung in Längsrichtung
durch den Raum 30 wird durch ein Zwischenstück 36 verhindert.
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F i g. 6 zeigt ein gegenüber F i g. 1 etwas abgewandeltes
Strömungsmuster. Die dargestellten Einlaß-und Auslaßzonen 6 bzw.
9 entsprechen denen in F i g. 1.
Die gestrichelten Linien versinnbüdlichen
die Strömungswege durch die durch die Aussparungen 13 gebildeten Kanäle auf
der abgewandten Seite des Leiterstabes, während die ausgezogenen Linien die Strömungskanäle
durch die Aussparungen 12 auf der vorderen.Seite des Leiterstabes darstellen.
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Bei einem Vergleich mit F i g. 1 sieht man, daß bei F i
g. 6 die aus den Ausgleichsblöcken 3 bestehende Lage Übergangskanäle
enthält, die die Strömung von zwei benachbarten Kanälen auf derselben Seite des
Leiterstabes vereinigen und nicht die Strömung von Kanälen auf gegenüberliegenden
Seiten des Leiterstabes, wie in F i g. 1. Die zusammengefaßte Strömung tritt
durch die Kanäle in der aus den Nutkeilen 4 gebildeten Schicht ebenso wie in F i
g. 1 ein bzw. aus. Auf diese, Weise erhält man zwei parallele Strömungswege,
die auf der einen Seite des Leiterstabes diagonal nach unten und auf der anderen
Seite diagonal nach oben verlaufen.
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Die in F i g. 6 angegebene Konstruktion kann verwendet werden,
wenn es unerwünscht ist, zwei Strömungen zu vereinigen, die von zwei verschiedenen
Quellen stammen und die Speisedrücke oder die StrömunGswiderstände erheblich differieren.
Man verringert dadurch die Gefahr, daß die stärkere Strömung die schwächere am gemeinsamen
Auslaß blockiert. Die praktische Ausführung eines geeigneten Ausgleichsblockes
3 mit in der F i g. 6 schematisch dargestellten übergangskanälen kann
einem Fachmann überlassen bleiben.
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Im folgenden soll nun die Arbeitsweise der Kühl-7 anordnung gemäß
der Erfindung angegeben werden. Bei Fi g. 1 soll für die. Zwecke
-der Beschreibung vorausgesetzt werden, daß die Gasströmung durch die Aussparungen
12 auf der abgewandten Seite des Leiterstabes- mit gestrichelten Pfeilen dargestellt
ist, gleich, ob die Strömung nach innen oder nach außen verläuft, während die Strömung
durch die Aussparungen 13 auf der dem Betrachter zugewandten Seite des Leiterstabes
durch ausgezogene Pfeile versinnbildlicht ist. Die Darstellung der Strömungen und
die Numerierung der Pfeile ist auch in den perspektivischen Ansichten der F i
g. 4 und 5 beibehalten worden.
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Aus F i g. 1 und 5 ersieht man, daß das ganze, durch
die Bodenmit 10 in Längsrichtung eintretende Gas in der durch die
Klammer 9 in F i g. 1 bezeichneten Austrittszone wieder austritt.
Das Kühlmedium tritt, wie durch die Pfeile angedeutet ist, in die Bodenmit
10 ein, strömt durch die Öffnungen 29 c,
28a und 35a und dann
radial nach außen durch die durch die Aussparungen 12 gebildeten Kanäle, wie durch
die Pfeile 37 angedeutet ist, und radial nach auswärts in der durch die Pfeile
38 angedeuteten anderen Richtung durch die Kanäle, die durch die Aussparungen
13 gebildet werden. Nach Durchströmen der Kanäle im Ausgleichsblock 34 und
den Auslaßöffnungen 33 im Keil 32 tritt das Kühlmedium in den Luftspalt
aus,'wie durch die Pfeile 39 und 40 angedeutet ist. Das Zwischenstück
36 verhindert, daß das Gas in Längsrichtung weiter strömt, als die Bodennut
10 reicht. Es ist also leicht einzusehen, daß das Kühlmittel in dem beschriebenen
Teil der Wicklungen auf beiden Seiten des Leiterstabes radial nach außen strömt.
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Zusätzlich zu der axialen Einspeisung von Kühlmittel durch die Bodennuten
10 in der durch die Pfeile angedeuteten Richtung wird außerdem Gas von der
durch die Klammer 6 bezeichneten Luftspaltspeisungszone nach innen
geliefert. Das aus dieser Zone aufgenommene Gas entweicht sowohl in die Zone
8 als auch in die Zone 9, wie an Hand der F i g. 4 der Zeichnung
in Verbindung mit F i g. 1
beschrieben werden soll. Das Gas tritt beim Pfeil
41 ein und teilt sich in zwei Ströme. Der erste Strom fließt in Richtung der Pfeile
42 durch die durch die Aussparungen 13 gebildeten Kanäle diagonal nach unten
in Richtung auf das Läuferende. In dem durch das Kanalteil 29 gebildeten
Raum am Boden der Nut strömt das Gas quer zum Leiter, kehrt seine Richtung um und
strömt in Richtung der gestrichelten Pfeile 43 in den durch die Aussparungen 12
gebildeten Kanälen auf der anderen Seite des Leiterstabes nach außen. Bei der dargestellten
Ausführungsform fließt dieser Gasstrom weiter nach oben durch die- Ausgleichsblöcke
22 und entweicht, wie durch den Pfeil 40 angedeutet ist, in den Luftspalt aus derselben
Auslaßöffnung wie das von der Bodennut 10 stammende Kühbnittel.
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Der zweite Gasstrom tritt in der Eintrittszone 6
entsprechend
dem Pfeil 41 ein und strömt in Richtung der gestrichelten Pfeile 44 durch die durch
die Aussparungen 12 gebildeten Kanäle diagonal nach unten in Richtung auf die Mitte
des Läufers. In der durch den Zwischenraum 30 am Boden der Nut gebildeten
Kammer verläuft die Strömung in Querrichtun 'g und dann auf der zugewandten
Seite der Nut in Richtung des Pfeiles 45 durch die durch die Aussparungen-13 gebildeten
Kanäle diagonal nach außen. Dieser Teil des Gases entweicht in die Zone
8, wie durch den Pfeil 46 angezeigt ist. Die Gasströmung vereinigt sich-dabei
mit dem Gas, das aus der Entrittszone 5. stammt und in entsprechender
Weise in Richtung der Pfeile 47 strömt.
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. Zusätzliche Zwischenstücke 48, 49 und 50 teilen
den Zwischenraum 30, in Dein das Gas quer strömt,
in in Längsrichtung
verlaufende Zonen. Diese Zonen entsprechen einer quer zu den Aussparungen verlaufenden
Strömung, deren Richtung von Zone zu Zone wechselt. Bei der Zone 51 in F
i g. 1 ist die Strömung in die Zeichenebene hineingerichtet, während die
Strömung in der Zone 52 aus der Zeichenebene heraus verlauft.
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Wie die in F i g. 6 dargestellte Ausführungsform arbeitet,
kann aus der Zeichnung entnommen werden. Kurz zusammengefaßt tritt das Kühlgas entsprechend
dem Pfeil 55 in der Eintrittszone 6 ein, teilt sich in die zwei durch
die Pfeile 56 bezeichneten Strömungen und fließt auf der zugewandten Seite
des Leiterstabpaketes nach unten. Dort strömt das Gas in dem Kanal 51 quer
zu den Aussparungen und längs der Pfeile 57 auf der abgewandten Seite des
Leiterstabes nach oben, wo sich beide Ströme wieder vereinigen und entsprechend
dem Pfeil 58 in die Zone 9 entweichen. Das durch die Bodennut
10 eingeführte Gas strömt auf der zugewandten Seite der Nut längs der Pfeile
59 nach oben und entweicht nach der Wiedervereinigung beim Pfeil
60 in die Zone 9.
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Da bei dieser Anordnung zwei parallele Strömungswege mit praktisch
gleichem Druck gespeist werden, kann die Strömung in dem einen Strömungszweig die
im anderen Strömungszweig nicht blokkieren, wenn die Strömungen wieder vereinigt
werden.
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Es ist ersichtlich, daß es das diagonale Strömungsmuster erlaubt,
in axialer Richtung beabstandete Einlaß- und Auslaßzonen 5, 6, 7, 8 und
9 längs des Luftspaltes zu bilden, so daß leicht Mittel vorgesehen werden
können, um das Gas in der einen Zone aufzunehmen und in die andere wieder auszustoßen.
In dem in F i g. 4 dargestellten Teil des Läufers strömt das Kühlmittel auf
der einen Seite des Leiterstabes nach unten und auf der anderen Seite nach oben,
während es bei dem in F i g. 5 dargestellten Teil des Läufers auf beiden
Seiten des Leiterstabes nach oben strömt. Für längere Läufer kann es wünschenswert
werden, zusätzliche Einlaß- und Auslaßzonen längs des Läufers vorzusehen. So kann
man beispielsweise, anstatt den Läufer in die in F i g. 1 mit 7, 5, 8,
6, 9 bezeichneten Zonen zu teilen, weitere Zonen hinzufügen, so daß das Strömungsmuster
der Reihenfolge nach Zonen etwa folgender Anordnung umfaßt: 7, 5, 8, 5, 8, 6,
9 oder 7, 5, 8, 5, 8, 5, 8, 6, 9 usw.
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Zusätzlich zu den offensichtlichen wirtschaftlichen Vorteilen durch
die Verwendung von handelsüblichen Kupferleitern mit rechteckigem Querschnitt, die
zur Bildung der Kühlkanäle nur wiederholt gelocht werden müssen, ergeben sich noch
weitere Vorteile durch das einfache Strömungsmuster, das durch die Versetzung der
gestanzten Aussparungen gebildet wird.
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Durch die Anordnung wird aus folgenden Gründen ein hohes Maß an Gleichförmigkeit
der Temperaturverteilung gewährleistet. Da die diagonalen Strömungen auf der einen
Seite des Leiterstabes die Strömungen auf der anderen Seite des Leiterstabes kreuzen,
werden Temperaturunterschiede in der Wicklung weitgehend ausgeglichen.
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Es kann rechnerisch gezeigt werden, daß sich bei alleiniger Betrachtung
der Gastemperatur ungefähr 501/o des Wicklungsvolumens annähernd auf der mittleren
Gastemperatur befinden, wobei die Temperaturverteilung am gleichförmigsten unten
in der Nut ist, wo normalerweise die größten Kühlschwierigkeiten auftreten. Obwohl
eine genaue theoretische Durchbrechung der Temperaturverteilung des Kühlgases zeigt,
daß sich um die Einlaß- und Auslaßzonen am Luftspalt breite Längszonen gruppieren,
in denen die Temperaturen oberhalb oder unterhalbdes Mittelwertes liegen, ergibt
eine Einbeziehung der ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeit des Kupfers in Richtung
der Leiterstäbe, daß die Temperaturverteilung in diesen breiten Zonen -weitgehend
vergleichmäßigt wird.
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Da das Gas radial durch die Nutkeile in den Leiterstab eingespeist
wird und keine seitlichen Einlaßöffnungen von der Nut in die Leiterstäbe erforderlich
sind, ist über die ganze Länge der Nut23 eine gleichmäßige Abstützung der Nutisolation28
gewährleistet. Schwierig und damit kostspielig herzustellende Kühlmittelkanäle in
den Läuferzähnen werden nicht benötigt. Die Zähne, die die gesamten auf die Wicklung
wirkenden Zentrifugalkräfte aufnehmen müssen, brauchen nicht mit Bohrungen oder
Nuten versehen werden, die zu unerwünschten Spannungskonzentrationen führen und
eine Schwächung des tragfähigen Material mit sich bringen würden.
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Untersuchungen haben ergeben, daß das beschriebene System als Ganzes
wirksamer die Geschwindigkeitsenergie des aus dem Luftspalt abgezogenen Gases in
einen für die Zirkulation des Gases in den Kühlkanälen geeigneten Druckunterschied
umzuwandeln in der Lage ist, als wenn in Längsrichtung verlaufende Kanäle vorgesehen
wären. Der Grund hierfür besteht darin, daß das Gas nicht zu abrupten Richtungsänderungen
gezwungen wird, da die Ausgleichsblöcke so geformt werden können, daß Kanäle mit
einem allmählichen übergang gebildet werden, und das mit hoher Geschwindigkeit in
das Einlaßloch eintretende Gas kann wirksam in die den Leiterstab diagonal durchsetzenden
Kühlkanäle verteilt werden.
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Durch eine doppelte Reihe von länglichen Aussparungen im Kupfer steht
dem Kühlgas praktisch dieselbe Wärmeübergangsfläche pro Leiterlänge zur Verfügung
wie bei den bekannten Anordnungen mit in Längsrichtung des Leiters verlaufenden
Kanälen. Bei der Anordnung mit den zwei Reihen von Aussparungen in den Einzelleitern
ergibt sich daher im Mittel eine übertemperatur des Leiterstabes über das Kühlgas
von derselben Größenordnung, natürlich abhängig von etwaigen Unterschieden in der
Wärrneübergangszahl, der Strömungsgeschwindigkeit und der spezifischen elektrischen
Verluste.
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Der Aufbau und die Anordnung der Aussparungen in den Einzelleitem
können von einem Fachmann in verschiedener Weise verändert werden. Obgleich ihre
Anordnung in einer Doppelreihe derzeit als die zweckmäßigste Ausführungsform erscheint,
können auch drei oder mehr Reihen von Aussparungen in den Einzelleitern verwendet
werden, so daß eine größere Wärmeübergangsfläche zur Verfügung steht, wenn dies
aus irgendwelchen Gründen zweckdienlich erscheinen sollte.
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Bei der dargestellten Ausführungsforin wurden Einzelleiter verwendet,
in die die Aussparungen unter einem gewissen Winkel eingestanzt sind, um die Querschnittsfläche
der Kühlkanäle nicht zu verringern. Selbstverständlich kann man auch eine größere
Anzahl von Einzelleitem geringerer radialer
Dicke verwenden und
die Aussparungen senkrecht zur Leiterebene stanzen, wodurch unter Umständen die
Kosten verringert werden. Bei senkrechten Aussparungen ergeben sich außerdem mehr
Möglichkeiten für die Stanzanordnung, da weniger Muster erforderlich werden können.
Man kann dann auch einen Einzelleiter, der für eine bestimmte Lage ira Paket gelocht
worden ist, auch in einer anderen radialen Lage in der Nut verwenden. Selbstverständlich
können mehrere Einzelleiter elektrisch parallel geschaltet werden, so daß eine Änderung
der Speisespannung der Erregerwicklung nicht erforderlich ist.
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Im Rahmen der Erfindung liegt auch eine Umkehrung der Strömungsrichtung
sowohl am oberen Ende als auch am Boden der Nut, so daß das Gas in radialer Richtung
in der Nut mehrmals hin- und lierläuft, bevor es endgültig in den Luftspalt ausgestoßen
wird.