DE1613402A1 - Liquid cooling of the damper windings of electrical machines - Google Patents
Liquid cooling of the damper windings of electrical machinesInfo
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Description
42 - Goitbordstr.81 11.7.196742 - Goitbordstr. 81 July 11, 1967
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(ALSTHOM),
Paris lo^me, Avenue KlSber 38 (Frankreich)(ALSTHOM),
Paris lo ^ me, avenue KlSber 38 (France)
„Flüssigkeitskühlung der Dämpferwicklungen von elektrischen Maschinen""Liquid cooling of the damper windings of electrical machines "
Französische Priorität vom 13. Juli 1966 und vom 24.März 1967 aus den französischen Patentanmeldungen iir. 2695 (Beifort) und Nr. 2743 (Beifort)French priority of July 13, 1966 and March 24 1967 from the French patent applications iir. 2695 (Beifort) and No. 2743 (Beifort)
Bei einem asynchronen Anlauf eines synchronen oder asynchronen Elektromotors entsteht in der Dämpferwicklung eine thermische Energie, deren Umfang von der kinetischen Energie der anzulassenden Maschine und der Kraft des Widerstandsmoments abhängt.With an asynchronous start-up of a synchronous or asynchronous Electric motor creates a thermal in the damper winding Energy, the extent of which depends on the kinetic energy of the machine to be started and the force of the moment of resistance depends.
Der auf das Widerstandsmoment zurückzuführende Erwärmungsanteil kann im allgemeinen durch eine zeitweilige Veränderung des Widerstandsmoments auf einen geringen Wert zurückgeführt werden. Handelt es sich um eine Wechselstromgeneratorturbine, bei der der Wechselstromgenerator als Antriebselement und die Turbine als Pumpe verwendet wird, so kann man beispielsweise eine Verringerung des Widerstandsmoments entweder durch eine Auskupplung des Wechselstromgenerators von der Turbine, durch eine Bypass-Verbindung der zu pumpenden Flüssigkeit oder durch eine Trockenlegung des Turbinenrades erwirken.The proportion of heating due to the moment of resistance can generally be changed by a temporary change of the section modulus is reduced to a low value will. Is it an alternating current generator turbine in which the alternating current generator is used as the drive element and the Turbine is used as a pump, so you can, for example, a reduction in the moment of resistance either by a Disengagement of the alternator from the turbine a bypass connection of the liquid to be pumped or by draining the turbine wheel.
Der auf das Widerstandsmoment zurückzuführende Erwärmungsanteil kann hingegen nicht verringert werden, wenn es sich um Aggregate mit großen Trägheitsmassen handelt, wie dies haupt-On the other hand, the heating component due to the moment of resistance cannot be reduced if it is Aggregates with large inertial masses, as this is the main
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sächlich bei hydraulischen Pumpstationen der Fall ist, wobei diese Erwärmung zu überhohen vierten führen würde, die die Möglichkeit eines asynchronen Anlaufs ausschließen näßten.is mainly the case with hydraulic pumping stations, where this warming would lead to excessive fourths, which would exclude the possibility of an asynchronous start-up.
Die Möglichkeit, Wicklungen elektrischer Maschinen durch ständigen Flüssigkeitsumlauf zu kühlen, darf wohl als bekannt vorausgesetzt v/erden. Liegt diese Wicklung auf einem in -Dotation befindlichen Teil, so erfordert dieses Kühlverfahren ein von der Konstruktion her kompliziertes Gerät für den Zu- und Abfluß der Flüssigkeit.The possibility of cooling the windings of electrical machines through constant circulation of liquid may well be known as provided v / earth. If this winding is on a part in -Dotation, this requires a cooling process the construction of a complicated device for the inflow and outflow of the liquid.
Es ist Gegenstand der Erfindung, eine auf einfache Ueise durchzuführende und wirksame Kühlung der Dämpferwicklungen von elektrischen Haschinen im Augenblick des Anlaufes zu schaffen.It is the object of the invention, a simple Ueise to create effective cooling of the damper windings of electrical machines at the moment of start-up.
~Die Erfindung betrifft einen Rotor, dessen Dämpferwicklung eine thermische Verbindung zu den Kühlkanälen besitzt und zwar dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlflüssigkeitsbehälter im Zentralbereich des Rotors angeordnet ist und daß Behälter und Kühlkanalabschlüsse durch Verbindungsleitungen miteinander kommunizieren und zwar dergestalt, daß eine natürliche Flüssigkeitszirkulation zwischen Kanälen und Behälter beim Anlaufen der als Antriebselement wirkenden elektrischen Maschine stattfinden kann,~ The invention relates to a rotor, its damper winding has a thermal connection to the cooling channels, characterized in that a coolant container in the Central area of the rotor is arranged and that the container and cooling channel closures communicate with one another through connecting lines in such a way that a natural fluid circulation between the channels and the container when starting the as Drive element acting electrical machine can take place,
Handelt es sich um einen senkrecht angeordneten Rotor, so kann diese natürliche Umlaufbewegung unter Verwendung der Dämpferwicklungserwärmung nach dem Prinzip einer Uarmwasserheizung erfolgen. Die Verbindungsleitungen verbinden somit einerseits das obere Ende· der Kühlkanäle mit dem oberen Teil des Behälters, andererseits das untere Ende der Kühlkanäle mit dem unteren Teil des Behälters.If the rotor is arranged vertically, this natural orbital movement can be performed using the Damper winding heating based on the principle of warm water heating take place. The connecting lines thus connect on the one hand the upper end of the cooling channels with the upper part of the container, on the other hand the lower end of the cooling channels with the lower part of the container.
Zur Nutzbarmachung der natürlichen Kühlflüssigkeits-Zirkulation kann man sich ebenfalls der dynamischen Wirkungen bedie-To utilize the natural coolant circulation one can also make use of the dynamic effects
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nen, die beim Uralauf oder beim Anlaß Vorgang des Rotors entstehen, beispielsweise der kinetischen Energie, die aus der Differenz der Tangentialgeschwindigkeiten des Kühlflüssigkeitsbehälters und dieser Flüssigkeit selbst entsteht. Die Verbindungsleitungen münden demnach in den Behälter, wobei diese geneigt sind und mit den beiden Lnden der Kühlkanäle in Verbindung stehen.nen that arise during the Urals or during the starting process of the rotor, for example the kinetic energy that from the difference between the tangential velocities of the Coolant container and this liquid itself is created. The connecting lines therefore open into the container, these being inclined and with the two Lnden of the cooling channels are in communication.
um während der Beschleunigung des Rotors die Trägheitskraft der Kühlflüssigkeit für den natürlichen Umlauf dieser Flüssigkeit nutzbar zu machen, kann dieser Behälter zudem noch durch radial angeordnete Trennschotts in einzelne Kaminern eingeteilt werden. Die Verbindungs leitungen i.iun-Jen nach Durchdringung dieser Trennschotts in diese Kammern und zwar dergestalt, daß diejenigen der Verbindungsleitungen, die uit einem Ende dieser Kühlkanäle verbunden sind, an einer Saite dieser Trennschotts münden, die mit dem anderen Ende der ilühlkanälc verbundenen an dem anderen Ende dieser Schotts münden.around the inertial force during the acceleration of the rotor This container can make the cooling liquid usable for the natural circulation of this liquid can also be divided into individual chimneys by radially arranged partitions. The connecting lines i.iun-Jen after penetrating this partition into these chambers in such a way that those of the connecting lines the uit one end of these cooling channels are connected to one The strings of this partition bulkhead open to the other end of the ilühlkanälc at the other end of this bulkhead flow out.
Die Rotorwelle der Maschine kann hohl sein und ein Teil dieses irellenholilraums kann diesen Behälter bilden.The rotor shaft of the machine can be hollow and a part of this irellenholilraums can form this container.
ioiwendungsbeispiele der Erfindung sollen anhand der beiliegenden Schemata naher beschrieben werden.ioiwendungsbeispiele the invention should be based on the are described in more detail in the attached diagrams.
fig. 1 zeigt in Schnittdarstellung einen Teil des senkrechten Motors r.iit löihlflüssigkeitszirkulation in der Dcl:.ipferwicklung unter liutzbarraachung des irarmwasserheizeffektes.fig. 1 shows a section of a part of the vertical Motors r.iit circulating solvent in the Dcl: .ipfer winding under liutzbarraachung the irarm water heating effect.
Fig. 2 und 3 zeigen in teilweiser Schnittdarstellung im Aufriß bzw. in Draufsicht nach Schnitt III-III einen Teil des Rotors nit KJhlflüssigkeitszirkulation in äer Dämpferwicklung, unter Einwirkung der relativen Tangentialgeschwindigkeit der in Flüssigkeitsbehälter enthaltenen Flüssigkeit und diesem Behälter selbst.2 and 3 show a part in a partial sectional view in elevation and in plan view according to section III-III of the rotor with coolant circulation in the outer damper winding, under the action of the relative tangential velocity of the liquid contained in the liquid container and this Container itself.
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Fig. 4 zeigt in teilweiser Schnittdarstellung und Oaufsicht einen Teil des Rotors mit Kühlflüssigkeitszirkulation in der Dämpferwicklung und zwar unter Einfluß der Trägheitskraft der Kühlflüssigkeit während der Beschleunigung des Rotors.FIG. 4 shows a part of the rotor with cooling liquid circulation in a partial sectional view and top view in the damper winding under the influence of the inertial force of the coolant during acceleration of the rotor.
Im Beispiel der Fig. 1 trägt eine vertikale hohle Kelle 1 einen Rotor 2 mit Dämpferwicklungsschienen 3. Ein von den Schotts 4 und 5 im Innern der Hohlwelle 1 abgegrenzter Raum bildet den Kühlflüssigkeitsbehäter 6. In den Schienen 3 verlaufen die Kanüle 7, die unmittelbar als Kühlkanäle verwendet v/erden können, in denen man jedoch die Röhren 8 untergebracht het. Die unteren Enden dieser Röhren 3 münden in einen Sammelbehälter 9, die oberen Enden in den Sammelbehälter 10. Der Sammelbehälter 9 ist mit dem unteren Teil des Behälters 6 über die Leitungen 11 verbunden und der Sammelbehälter 10 ist mit dem oberen Teil des Behälters 6 über die Leitungen 12 verbunden.In the example of FIG. 1, a vertical hollow trowel 1 carries a rotor 2 with damper winding rails 3. A The space delimited by the bulkheads 4 and 5 in the interior of the hollow shaft 1 forms the coolant container 6. In the rails 3 run the cannula 7, which can be used directly as cooling channels, but in which the tubes 8 housed het. The lower ends of these tubes 3 open in a collecting container 9, the upper ends in the collecting container 10. The collecting container 9 is with the lower part of the Container 6 is connected via the lines 11 and the collecting container 10 is connected to the upper part of the container 6 via the Lines 12 connected.
Beginnt der Rotor umzulaufen, ohne daß eine Erwärmung in den Schienen 3 stattfindet, so findet im System keine Flüssigkeitsumwälzung statt und die in den Leitungen 11 und 12 durch die Zentrifugalkraft entstehenden Drücke heben sich auf. Erhitzen sich jedoch die Schienen 3 wie im Falle des Anlaufens des ilotors, so entsteht durch Konvektion ein Anstieg der erwärmten Flüssigkeit in den zum Sammelbehälter 10 führenden Röhren 8 und das Druckgefälle zwischen der Flüssigkeit der Leitungen 12 und der Flüssigkeit der Leitungen 11 schafft eine aktive Flüssigkeitsuiawälzung zwischen den Röhren 8 der Schienen 3 und dem Behälter 6. Eine Flüssigkeitsbewegung in entgegengesetzter Richtung würde in Abhängigkeit der Temperatur eine Druckveränderung nach sich ziehen, die der des Wassers entgegengesetzt wäre.If the rotor begins to rotate without the rails 3 being heated, then there is no fluid circulation in the system instead and the pressures created in lines 11 and 12 by the centrifugal force cancel each other out. If, however, the rails 3 heat up, as in the case of the start-up of the ilotors, then the convection causes an increase in the heated liquid in the tubes 8 leading to the collecting container 10 and the pressure gradient between the liquid Lines 12 and the fluid of the lines 11 creates an active fluid circulation between the tubes 8 of the Rails 3 and the container 6. A liquid movement in the opposite direction would depend on the temperature result in a pressure change that would be opposite to that of the water.
Sind die Verluste in den Schienen 3 ausreichend groß und verlaufen diese sehr rasch, um die Flüssigkeit in den RöhrenIf the losses in the rails 3 are sufficiently large and they run very quickly to the liquid in the tubes
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gebietsweise zum Sieden zu bringen, so erzeugt die Dampfentwicklung in den Röhren 12 ein Wasserdampfgemisch wesentlich geringerer Dichte als dem der Flüssigkeit in den Leitungen 11, wodurch der Druckunterschied zwischen den Leitungen 11 und 12 beträchtlich zunimmt und die umwälzung erhöht wird. Der somit gebietsweise entstehende Dampf kondensiert im Behälter 6 und gibt seine Wärme an die im Behälter enthaltene Flüssigkeit ab, deren Durchschnittstemperatur damit zunimmt.Bringing it to the boil in certain areas creates the development of steam in the tubes 12 a water vapor mixture of significantly lower density than that of the liquid in the lines 11, whereby the pressure difference between the lines 11 and 12 increases considerably and the circulation is increased. The thus regionally generated vapor condenses in the container 6 and gives off its heat to the liquid contained in the container, whose average temperature thus increases.
Die Anlage kann nunmehr so konzipiert werden, daß die Temperaturerhöhung der im Behälter 6 befindlichen Flüssigkeit unter JLM'ormaldruck nicht zum Erreichen des Siedepunktes ausreicht. Hierzu verwendet man einen großen Behälter mit Niederdruckschotts. Die Anlage kann ebenfalls für eine geringere Flüssigkeitsreserve ausgelegt werden, bei der unter Normaldruck die Siedetemperatur überschritten würde. Hierzu verv/endet man einen Behälter mit Schotts, die für eine höhere Temperatur ausgelegt sind. Schließlich kann eine wesentlich geringere Flüssigkeitsreserve vorgesehen werden und zwar unter Annahme einer Siedepunkts temper a tür der im Behälter enthaltenen Flüssigkeit und einer Abgabe des Dampfes an die Außenluft. Bei dieser Anordnung muß der 3ehälter in bestimmten Zeitabständen nachgefüllt warden.The system can now be designed so that the temperature increase the liquid in the container 6 is not sufficient to reach the boiling point under normal pressure. A large container with a low-pressure bulkhead is used for this. The system can also be designed for a lower liquid reserve, in which the Boiling temperature would be exceeded. For this purpose, a container with bulkheads, which is designed for a higher temperature, is used are. Finally, a significantly lower liquid reserve can be provided, assuming a boiling point temper a door of the liquid contained in the container and a release of the vapor to the outside air. With this arrangement the container must be refilled at certain intervals.
Der Wert der Wärmeisolierung für eine solche Dämpferwicklung liegt somit wesentlich höher und gestattet den asynchronen Anlauf großer Trägheitsmassen, ohne daß sich das Aggregat hierbei übermäßig erwärmt.The value of the thermal insulation for such a damper winding is thus much higher and allows the asynchronous Start-up of large inertial masses without the unit heating up excessively.
Im Beispiel der Fig. 2 und 3 ist die Hohlwelle 1 entsprechend dem Zylinder 13 ausgeformt, der den Kühlflüssigkeitsbehälter 14 bildet. Die als Kühlkanäle für die Dämpferwicklung fungierenden Röhren 8 münden wie im Beispiel der Fig. 1 in die Sammelbehälter 9 und 10, die über die Leitungen 11 und 12 mit dem Behälter 14 in Verbindung stehen, Fig. 3 enthält das Selena für die Gegenneigung der Enden 15 der Leitungen 12 für den Sammelbehälter 10 und die Enden 16 der Leitungen für den Sammelbehäl-In the example of FIGS. 2 and 3, the hollow shaft 1 is shaped in accordance with the cylinder 13 which holds the coolant container 14 forms. Acting as cooling channels for the damper winding As in the example of FIG. 1, tubes 8 open into the collecting containers 9 and 10, which are connected to the container via lines 11 and 12 14 are in connection, Fig. 3 contains the Selena for the counter-inclination of the ends 15 of the lines 12 for the collecting container 10 and the ends 16 of the lines for the collecting container
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ter 9. Uird der Rotor in Drehung "versetzt, so versetzt die innere Fläche des Zylinders die Kühlflüssigkeit durch Reibung ebenfalls in Rotation. Da jedoch der Viskositätsbeiv/ert dieser Flüssigkeit verhältnismäßig gering ist, liegt ihre Winkelgeschwindigkeit wesentlich unter der des Zylinders 13. Die auf die Differenzwinkelgeschwindigkeit zwischen Kühlflüssigkeit und Eehalter zurückzuführende kinetiscae energie schafft somit einen überdruck in Leitung 11 und einen Jnterdruck in Leitung 12, was zu einer Xühlflüssi^keitszirkulation in den Röhren 3 führt.ter 9. If the rotor is set in rotation, the inner surface of the cylinder also rotates the coolant through friction. However, since the viscosity additive this liquid is relatively low, its angular velocity is significantly below that of the cylinder 13. The kinetic energy due to the differential angular velocity between the cooling liquid and the holder thus creates an overpressure in line 11 and an underpressure in line 12, resulting in cooling liquid circulation in the tubes 3 leads.
In Fig. 4, auf der jeweils die gleichen Teile die gleichen Bezugsziffern v/ie in Fig. 3 tragen, ist ein Zylinder 13 dargestellt, der durch die radial verlaufenden Schotts 17 unterteilt ist, wobei die Enden 15 und 16 jeweils an beiden Seiten dieser Schotts einmünden. Bei einer Beschleunigung des Rotors fließt die Kühlflüssigkeit infolge ihrer eigenen irügheitskraft im Dämpfergehäuse v/ie in Fig. 3 dargestellt.Diese Trennschotts 17 können entweder auf der ganzen Höhe des Behälters 14 oder lediglich gegenüber den Enden 15 und 16 angeordnet sein.In Fig. 4, on each of which the same parts are the same Carrying reference numerals v / ie in FIG. 3, a cylinder 13 is shown which passes through the radially extending bulkheads 17 is divided, the ends 15 and 16 open on both sides of this bulkhead. When the Rotors, the coolant flows as a result of its own iniquity in the damper housing v / ie shown in Fig. 3. These dividing bulkheads 17 can either be over the entire height of the container 14 or just opposite ends 15 and 16.
Uie bereits in Fig. 2 dargestellt, erfolgt die Flüssigkeitsumwälzung in den Röhren 8 unter den dynamischen Wirkungen des Rotoranlaßvorgangs in gleicher Richtung wie in dem Falle, v/o es zu einer Erwärmung der Dämpferwicklungen kam, allerdings kann auch eine Umwälzung in Gegenrichtung vorgesehen werden.As already shown in FIG. 2, the liquid is circulated in the tubes 8 under the dynamic effects of the rotor starting process in the same direction as in the case v / o the damper windings were heated, but circulation in the opposite direction can also be provided.
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Claims (5)
der einen Seite dieser Schotts (4,5), die mit dem anderen
Teil der Kühlkanäle (8) verbunderm an der anderen Seite der Schotts (4,5) einmünden.end there and those of the connecting lines (11, 12) which are connected to one end of the cooling channels (8)
one side of this bulkhead (4,5), the one with the other
Part of the cooling channels (8) open out verbunderm on the other side of the bulkheads (4,5).
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