DE654087C

DE654087C - Cooling device for electrical machines with winding parts lying on top of one another in grooves

Info

Publication number: DE654087C
Application number: DEA78265D
Authority: DE
Inventors: Willibald Rohde
Original assignee: AEG AG
Current assignee: AEG AG
Priority date: 1936-01-21
Filing date: 1936-01-21
Publication date: 1937-12-10

Description

Um die Wärme von in Nuten liegenden Wicklungsteilen elektrischer Maschinen abzuführen, ist es bekannt, an beiden Flanken entlang Kühlkanäle anzuordnen. Dabei können die Leiter auf der dem axialen Luftstrom zugekehrten Seite blank sein, um die Wärmeabfuhr zu steigern. Wenn es sich dabei um einzelne hochkant in der Nut gestellte Leiter handelt, findet die an ihren Breitseiten entlang strömende Luft eine ausgiebige Berührungsfläche. Man hat auch vorgeschlagen, Einzelleiter stellenweise durch Isolationsbeilagen gegen die Nutenwandungen abzustützen und um diese Stützen herum eine zickzackförmige, auf jeder Breitseite des Leiters entlang führende Bahn für die Kühlluft zu schaffen, so daß auch dann eine wirksame Belüftung möglich war. Anders liegen aber die Verhältnisse, wenn die Leiter der Nutenwicklung flachseitig übereinanderliegen. Dann kommt die an den Flanken des geschichteten Leiterbündels entlang· strömende Kühlluft nur mit den Schmalseiten der Leiter in Berührung, und die Wärmeabgabe aus dem Innern des Wicklungsquerschnittes wird um so ungünstiger, je dünner die Einzelleiter bemessen sind, denn die Breitseiten der Leiter haben zufolge der die Wärme schlecht leitenden Zwischenisolationen keinen guten Wärmekontakt untereinander und mit den sie umschließenden Metallkörpern. Man hat deshalb angeregt, die seitlichen Kühlflächen in solchen Fällen zu vergrößern und die Schmalseiten der Leiter mit Kühlrippen zu versehen oder Rippenbleche zwischen die isolierten Flachleiter einzulegen, welche in die axialen seitlichen Luftkanäle hineinragen. Damit wird . die Wärmeableitung aus dem Innern des Spulenquerschnittes noch immer nicht ausreichend gesteigert, und bei größerer Zahl und Stärke solcher Rippen wird ein erheblicher Teil des an sich nur eng bemeßbaren Querschnittes der axialen Kühlkanäle versperrt. Die Schmalseiten der Leiter zur Bildung von Kühlkanälen mit der Länge nach im Leitermaterial verlaufenden Ausnehmungen zu versehen oder die Leiter hohl auszubilden, war ebenfalls bekannt, doch lassen sich solche Maßnahmen bei verhältnismäßig dünnen Flachleitern nicht durchführen.In order to dissipate the heat from winding parts of electrical machines that are located in slots, it is known to arrange cooling channels along both flanks. In doing so, the conductors can face the axial air flow The side must be blank to increase heat dissipation. If it is a single ladder placed upright in the groove the air flowing along its broad sides finds an extensive contact surface. It has also been proposed to support individual conductors in places against the walls of the slot by means of insulation shims and around these supports a zigzag on each broad side of the ladder to create along leading path for the cooling air, so that even then an effective Ventilation was possible. But the situation is different if the head of the slot winding lie flat on top of each other. Then comes the cooling air flowing along the flanks of the layered conductor bundle only with the narrow sides of the conductor in contact, and the heat dissipation from the inside the winding cross-section becomes more unfavorable, the thinner the individual conductors are because the broadsides of the conductors have poor heat conductivity Intermediate insulation does not have good thermal contact with each other and with those surrounding them Metal bodies. It has therefore been suggested that the lateral cooling surfaces should be in such To enlarge cases and to provide the narrow sides of the conductors with cooling fins or Insert ribbed sheets between the insulated flat conductors, which in the axial lateral Air ducts protrude. So that will. the heat dissipation from the inside of the coil cross-section is still not sufficient increased, and with a greater number and strength of such ribs a considerable one becomes Blocked part of the cross-section of the axial cooling channels, which can only be measured closely. The narrow sides of the conductors to form cooling channels with recesses running lengthwise in the conductor material to provide or to make the ladder hollow was also known, but let it be Such measures cannot be carried out with relatively thin flat conductors.

Ein anderer vorgeschlagener Weg, das Innere des Spulenquerschnittes vom axialen Luftstrom zu erfassen, bildet die Unterteilung des Querschnittes in zwei oder mehrere übereinander- oder nebeneinanderliegende Leitergruppen, die durch zusätzliche axiale Lüftungskanäle voneinander getrennt sind. Dadurch wird die Herstellung, VersteifungAnother suggested way, the inside of the coil cross-section from the axial Detecting air flow forms the division of the cross section into two or more One on top of the other or next to one another groups of conductors, which are supported by additional axial Ventilation ducts are separated from each other. This causes the manufacture, stiffening

*) Von dein Patent sucher ist als der Erfinder angegeben worden:*) Your patent seeker has specified as the inventor:

Willibald Rohde in Berlin-Schmargendorf.Willibald Rohde in Berlin-Schmargendorf.

und: Abstützung der Spulen in der Nut bedeutend erschwert und ebenfalls ein großer Teil des ausnutzbaren Nutenquerschnittes durch die Lüftungskanäle zur Erreichung des·. Zweckes in Anspruch genommen.and: Significant support of the coils in the groove difficult and also a large part of the usable groove cross-section through the ventilation ducts to achieve the ·. Purpose used.

Wenn man eine gute Ableitung der Wärmwj aus dem Inneren des Spulenquerschnitts er-'· reichen will, muß die Kühlluft den Querschnitt in mehreren Höhenlagen durchdringenIf you have a good derivation of the heat wj wants to reach from inside the coil cross-section, the cooling air must reach the cross-section penetrate at several altitudes

ίο und ihr eine große, möglichst von Isolation freie Berührungsfläche mit den einzelnen Flachleitern geboten werden. Insbesondere bei langen Maschinen, z. B. bei' Läufern von Turbogeneratoren mit verteilter, in Nuten Ia-ίο and you a great one, if possible from isolation Free contact surface with the individual flat conductors can be offered. In particular with long machines, e.g. B. in 'runners of Turbo generators with distributed, in grooves Ia-

15' gerader Feldwicklung, ist es auch erwünscht, die Kühlluft je nach Bedarf auf die einzelnen Stellen der Spulenlänge beliebig verteilen zu können, um eine gleichmäßige Kühlung zu erhalten, also dort, wo eine stärkere Wärmeableitung, beispielsweise zufolge Vorwärmung der Kühlluft, geboten ist, die Berührungsfläche der Luft mit dem Leitermaterial bzw. den Durchtrittsquerschnitt daselbst zu vergrößern. 15 'straight field winding, it is also desirable distribute the cooling air as required to the individual points of the coil length as required to obtain even cooling, i.e. where there is greater heat dissipation, For example, due to preheating of the cooling air, it is necessary to remove the contact surface of the air with the conductor material or to enlarge the passage cross-section there.

Nach der Erfindung wird nun bei in Nuten flachseitig übereinanderliegenden Wicklungsteilen, an deren beiden Flanken entlang axiale Luftkanäle verlaufen, sowohl eine ausgiebige Durchlüftung des Wicklungsquerschnittes erzielt, bei der die Kühlluft mit den Breitseiten der Leiter in Berührung kommt, als auch die Möglichkeit geboten, in weiten Grenzen die Luftwege innerhalb der Wicklung beliebig zu zergliedern und durch ihre entsprechende Verteilung, Querschnittsbemessung und Aufeinanderfolge in der Längs- und Höhenrichtung der Wicklung einen geordneten Ventilationsausgleich zu schaffen. Dieses ist da- _ durch erreicht, daß die Kühlluft von dem Axialkanal an der einen Flanke oder von einem Längsabschnitt dieses Kanals ganz oder wenigstens zum Teil durch eine Anzahl über die Länge des Axialkanals verteilter, die Wicklung quer zu ihrer Längsachse durch-According to the invention, in the case of winding parts lying flat on one another in grooves, on the two flanks of which there are axial air channels, both of which are extensive Ventilation of the winding cross-section achieved in which the cooling air with the broad sides the head comes into contact, as well as the possibility offered within wide limits the To dissect airways within the winding arbitrarily and by their corresponding Distribution, cross-section design and sequence in the longitudinal and vertical directions to create an orderly ventilation compensation of the winding. This is there- _ achieved by that the cooling air from the axial channel on one flank or from a longitudinal section of this channel entirely or at least in part by a number distributed over the length of the axial channel, the Winding transversely to its longitudinal axis

■ 45 setzender Kanäle nach dem Axialkanal an der anderen Flanke übergeleitet wird. Man kann beispielsweise die Nutenlänge in zwei Hälften zerlegen, von denen jede für sich nach diesem Prinzip belüftet wird und die eine von der linken, die andere von der rechten Stirnseite her die Kühlluft zugeführt erhält. Der Bemessung, Zahl und Lage der Querkanäle ist ein weiter Spielraum gegeben, so daß .man sie je nach den Erfordernissen entsprechend wählen kann.■ 45 setting channels after the axial channel is passed over on the other flank. One can For example, divide the groove length into two halves, each of which according to this Principle is ventilated and one from the left, the other from the right face receives the cooling air supplied. The size, number and location of the cross channels there is a wide margin so that they can be used according to requirements can choose.

Weitere Ausbildungen der Erfindung bestehen in Einrichtungen, nach welchen die Kühlluft gezwungen wird, von dem Axialkanal der einen Flanke nach dem der anderen durch die Ouerwege in der Wicklung überzuströmen. So kann beispielsweise der Axialkanal der einen Seite auf seiner ganzen Länge als Einströmungskanal, der andere als Ausströmungskanal verwendet werden. Zu diesem Zweck ist der erstere an dem der Luft-„eintrittsseite zugekehrten Ende offen und -,gegen die radialen Luftschlitze des wirksamen ■vEisens abgedeckt, während der zweite an dem der Lufteintrittsseite zugekehrten Ende verschlossen, jedoch gegen die radialen Austrittsluftschlitze im wirksamen Eisen offen ist. Soll die gesamte Luft durch die Querkanäle der Wicklung geleitet werden, so empfiehlt es< sich, den axialen Eintrittskanal bzw. seinen Längsabschnitt an dem von der Lufteintrittsseite abgekehrten Ende ebenfalls zu verschließen.Further developments of the invention consist in devices according to which the Cooling air is forced from the axial channel through one flank after the other to overflow the Ouerwege in the winding. For example, the axial channel one side as an inflow channel over its entire length, the other as an outflow channel be used. For this purpose, the former is on the air “inlet side facing end open and -, against the radial louvers of the effective ■ covered with iron, while the second on the the end facing the air inlet side closed, but against the radial outlet air slots in the effective iron is open. Should all the air pass through the transverse ducts the winding, it is advisable to use the axial inlet channel or its longitudinal section at the end facing away from the air inlet side as well to close.

In der Zeichnung veranschaulichen die' Abb. Ί, 2 und 6 das Erfindungsprinzip, während die Abb. 3, 4 und 5 zweckdienliche Ausiührungsformen für die praktische Ausbildung der Querkanäle darstellen.In the drawing, the 'Fig. Ί, 2 and 6 illustrate the principle of the invention, while Figs. 3, 4 and 5 expedient embodiments for the practical training of the cross channels.

Für die Anwendung der Erfindung ist in Abb. ι die Feldwicklung k des Läufers eines Turbogenerators mit in den Läuferkern α ein-■gesetzten Zähnen b gewählt. Zähne und Wicklung sind _in üblicher Weise durch Haltekeile c verspannt. An beiden Flanken der Wicklung entlang erstrecken sich axiale Kühlkanäle/! und /₂. Über die Länge der Nut verteilt, ist in der Wicklung eine größere Zahl von Ouerkanälen h angeordnet. Aus dem Luftführungsschema der Abb. 2 erkennt man, daß- der eine Axialkanal j\ an dem der Stirnseite des Läufers zugekehrten Ende offen, durch Trennwände g aber gegen die Radialschlitze d des wirksamen Eisens und am anderen Ende bei r verschlossen ist. Der andere Axialkanal f₂ ist an dem der Lufteintrittsseite zugekehrten Ende bei p versperrt, gegen die über seine Länge verteilten Radialschlitze d indessen offen. Der erstere Kanal Z₁ dient also ausschließlich als Eintrittskanal, der andere, f₂, als Austrittskanal. Die gesamte in den Kanal f_x einströmende Luft wird somit gezwungen, durch die über Höhe und Länge der Wicklung verteilte Zahl von Ouerkanälen h nach dein Axialkanal /₂ der anderen Flanke überzuströmen, von wo sie sich auf die einzelnen Radialschlitze verteilt. n₀ Die Gesamtlänge der Nut ist in zwei gleichartig belüftete Abschnitte zerlegt. Über diese Strecken kann die Zahl*der Ouerkanäle h, die Dichte ihrer Aufeinanderfolge und ihre Breite beliebig den gewünschten Abkühlungsverhältnissen angepaßt werden.For the application of the invention, the field winding k of the rotor of a turbo generator with teeth b inserted into the rotor core α is selected in FIG. Teeth and winding are braced in the usual way by retaining wedges c . Axial cooling channels /! and / ₂ . Distributed over the length of the groove, a larger number of outer channels h is arranged in the winding. From the air flow diagram of Fig. 2 it can be seen that the one axial channel j \ is open at the end facing the face of the rotor, but closed by partition walls g against the radial slots d of the effective iron and at the other end at r . The other axial channel f ₂ is blocked at the end facing the air inlet side at p , but is open to the radial slots d distributed over its length. The first channel Z ₁ thus serves exclusively as an inlet channel, the other, f ₂ , as an outlet channel. All of the air flowing into the channel f _x is thus forced through the number of outer channels h distributed over the height and length of the winding to flow over to the axial channel / _{2 of} the other flank, from where it is distributed to the individual radial slots. n ₀ The total length of the groove is divided into two equally ventilated sections. The number * of Ouerkannels h, the density of their succession and their width can be adapted as desired to the desired cooling conditions via these distances.

Die Querkanäle h in verschiedenen Höhenlagen des Wicklungsquerschnittes können unmittelbar übereinanderliegen oder axial gegeneinander verschoben sein. Vorzugsweise werden sie schräg zur Längsachse der Nut und unter einem spitzen Winkel zurThe transverse channels h at different heights of the winding cross-section can lie directly one above the other or be axially displaced from one another. They are preferably oblique to the longitudinal axis of the groove and at an acute angle to the

Richtung der ihnen in den axialen Kanälen zuströmenden Luft geführt. Die Einfügung der Ouerkanäle in die Wicklung läßt mannigfache Ausführungsformen zu. Besitzt der Leiter genügende Stärke, so. können die Querkanäle h, wie Abb. 3 veranschaulicht, als Qüernuten in das Leitermaterial selbst eingearbeitet werden. Die Ausnehmungen zweier unmittelbar übereinanderliegen der Leiter sind hier zu einem gemeinsamen Ouerkanal zusammengefaßt. Es ist an sich bekannt, zur Bildung von axialen Luftkanälen gegenüber-. liegende Aussparungen zweier benachbarter Leiter zu einem gemeinsamen Kühlkanal zu ergänzen. Die Begrenzungsflächen der Ouerkanäle sind vorteilhafterweise von Isolation frei zu lassen, so daß die Luft das blanke Leitermetall bestreicht. Solche Spulen können selbst unter Druck gebacken werden, ohne daß die Zwischenisolation m durch scharfe Kanten gefährdet wird.Direction of the air flowing towards them in the axial channels. The insertion of the Ouerkanal in the winding allows manifold embodiments. If the leader has sufficient strength, so. the transverse channels h, as illustrated in Fig. 3, can be incorporated as cross grooves in the conductor material itself. The recesses of two directly superimposed conductors are combined here to form a common Ouerkanal. It is known per se, opposite to the formation of axial air channels. to supplement lying recesses of two adjacent conductors to form a common cooling channel. The boundary surfaces of the outer channels are advantageously to be left free of insulation so that the air brushes the bare conductor metal. Such coils can be baked under pressure, without the intermediate insulating m is endangered by sharp edges themselves.

Wenn die Stärke der Leiter nicht ausreicht, um Qüernuten einzuarbeiten, so empfiehlt es sich, die Querkanäle nach der aus Abb. ι und 4 ersichtlichen Weise auszuführen. Hier sind die Leiter oder auch ganze Leitergruppen stellenweise in eine andere Schicht gebogen und die Überleitungen y unmittelbar aufeinanderliegender Leiter oder Leitergruppen axial gegeneinander verschoben, so daß dazwischen ein Hohlraum verbleibt. Ist dabei eine besondere Versteifung des Gefüges notwendig, so kann man sie durch Einlagen von Hohlkörpern η (Abb. 4) erzielen, die aus Wärme gut leitendem Material, z. B. aus Aluminium, bestehen und gegebenenfalls eine Außenisolation, etwa eine Oxydhaut, besitzen.If the strength of the ladder is not sufficient to incorporate cross grooves, it is advisable to carry out the cross channels as shown in Fig. Ι and 4. Here the conductors or entire groups of conductors are bent into another layer in places and the junctions y of conductors or groups of conductors lying directly on top of one another are axially displaced with respect to one another, so that a cavity remains between them. If a special stiffening of the structure is necessary, it can be achieved by inserting hollow bodies η (Fig. 4), which are made of a highly conductive material, e.g. B. made of aluminum and optionally have an external insulation, such as an oxide skin.

Eine andere Ausführungsmöglichkeit zur Bildung von Ouerkanälen veranschaulicht Abb. 5, die sich in allen Fällen anwenden läßt„ Hiernach werden um einzelne Leiter ί oder um einzelne Leitergruppen Streifen spiralförmig geschlungen, wobei zwischen den Windungen der Spirale t ein die Breite der schräg gerichteten Ouerkanäle h bestimmender Abstand gewahrt bleibt, während für die Höhe dieser Ouerkanäle die Wandstärke der Spirale maßgebend ist. Das Band kann zur Steigerung der Geschmeidigkeit mehrschichtig sein, aus Metall bestehen und für die Stromführung mitverwendet werden.Fig. 5 illustrates another possible embodiment for the formation of cross channels, which can be used in all cases. “According to this, strips are looped around individual conductors ί or around individual groups of conductors in a spiral shape, with a determining the width of the obliquely directed cross channels h between the turns of the spiral t The distance is maintained, while the wall thickness of the spiral is decisive for the height of these outer channels. The tape can be multilayered to increase flexibility, made of metal and used to conduct electricity.

Während das Luftführungsschema nach Abb. 2 das Merkmal trägt, daß die Axialkanäle beider Flanken bzw. die Längsabschnitte dieser beiden Kanäle tangential in Reihe von der Luft durchströmt werden, läßt sich auch nach der Erfindung das Parallelschaltungsprinzip für zwei axiale Luftwege durchführen. Das geschieht etwa nach dem in Abb. 6 wiedergegebenen System. Jeder der Axialkanäle beider Flanken ist an dem der Lufteintrittsseite zugekehrten Ende offen und in eine Anzahl durch Wänden voneinander getrennter Längsabschnitte fi, f" ... bzw. f₂', /2" ... unterteilt. Die Abschnitte der einen Flanke sind kreuzweise mit denen der anderen durch eine Anzahl von Ouerkanälen in der Wicklung verbunden, wobei die sich kreuzenden Gruppen h' und h" der Ouerkanäle in verschiedenen Höhenlagen des Wicklungsquerschnittes angeordnet sind.While the air flow scheme according to Fig. 2 has the feature that the axial channels of both flanks or the longitudinal sections of these two channels are tangentially flowed through by the air, the parallel connection principle for two axial airways can also be carried out according to the invention. This happens according to the system shown in Fig. 6. Each of the axial channels of both flanks is open at the end facing the air inlet side and divided into a number of longitudinal sections fi, f " ... or f ₂ ', / 2" ... separated from one another by walls. The sections of one flank are cross-connected to those of the other by a number of Ouerkanäle in the winding, the crossing groups h ' and h "of the Ouerkanal are arranged at different heights of the winding cross-section.

In manchen Fällen kann es zweckmäßig sein, den nur für die Einströmung der Luft verwendeten Axialkanal breiter zu bemessen als den für die Ausströmung dienenden Axialkanal der anderen Flanke. Die Erfindung läßt sich mit gleichem Erfolg auch bei Ständerwicklungen benutzen.In some cases it can be useful to only allow the air to flow in The axial channel used should be made wider than the one used for the outflow Axial channel of the other flank. The invention can also be used with equal success Use stator windings.

Claims

Patent claims:

1. Cooling device for electrical machines with winding parts lying one on top of the other in grooves,. Axial air ducts run along both flanks, characterized in that the cooling air from the axial duct (Z ₁ ) on one flank or from a longitudinal section of this duct is wholly or partially distributed over the length of the axial duct by a number of the winding (k) transversely to its longitudinal axis penetrating channels (h) is transferred to the axial channel (/ ₃ ) on the other flank.

2. Cooling device according to claim 1, characterized in that the axial channel (Z ₁ ) running along one flank or a longitudinal section of this channel at the end facing the air inlet side is open and preferably against the radial air slots (d) of the effective iron, possibly also at the other end (at r), is blocked so that it serves the entry of the cooling air, while the axial channel (Z ₂ ) along the other flank at the end facing the air inlet side (at p) is closed, but against the radial, over its length distributed outlet air slots (d) in the effective iron is open (Fig. 2).

3. Cooling device according to claim r, characterized in that the axial channels (/ 1 and / V) open at the ends facing the air inlet side and in a number of separate longitudinal sections (Z ₁ ', Z ₁ ", Zi'" ... or . fi, fi ', f% "· ..) are subdivided, and that these sections of one flank are arranged crosswise by two at different heights of the winding cross-section.

nete groups of outer channels Qi and h ") of the winding (t) are connected to the longitudinal sections of the other flank, so that two parallel airways are formed in the course of the winding (Fig. 6).

4. Cooling device according to claims ι to 3, characterized in that the winding in the groove or its conductor penetrating Qüerkanäle Qi) extend at an acute angle to the direction of them in the axial channels (/) flowing cooling air.

5. Cooling device according to claims 1 to 4 for electrical machines, in which the conductors of the winding have recesses to form cooling channels and, if necessary, these recesses of two adjacent conductors complement each other to form a common channel, characterized in that with a stronger conductor profile of the winding Transverse channels Qi) are formed in the groove by recesses in the conductor material that are transversely guided over the conductors, the boundary surfaces of which can remain blank in a manner known per se, whereby the transverse recesses of two conductors lying one above the other are preferably combined to form a common transverse channel ( Fig. 3).

6. Cooling device according to claims ι to 4, characterized in that with a thinner conductor profile, the conductor or conductor groups are bent in places in another layer and the junctions (y) directly superimposed conductors or conductor groups are axially displaced against each other, so that in between a transverse to the longitudinal axis the conductor running cavity Qi) remains, which to stiffen the structure, if necessary with a hollow body («), preferably made of a highly conductive material, e.g. B. made of aluminum, can be filled (Fig. 1 and 4).

7. Cooling device, in particular according to claims 1 to 4, characterized in that individual conductors (s) or groups of conductors of the grooves winding of band-shaped strips (t) are wrapped in a spiral with a spacing between the turns of the spiral ¹ , so that between the turns of the Spiral passages Qi) for the cooling air that cross the entire cross-section of the conductor bundle at an angle, the height of which is determined by the wall thickness of the band-shaped strips Qs) (Fig. 5).

8. Cooling device according to claim 7, characterized in that the spiral (f) consists of an optionally multilayered metal strip which can also be used for the current conduction.

9. Cooling device according to claims ι to 8, characterized in that the Qüerkanäle Qi) are axially offset from one another at different heights of the winding cross-section.

10. Cooling device according to claims ι to 9, characterized in that the cross section of the transverse channels (Ji) or their number is different over the length of the groove.

1 sheet of drawings