Imprägniertes Fasergebilde für elektrotechnische Zwecke Die vorliegende Erfindung betrifft ein imprägnier tes Fasergebilde für elektrotechnische Zwecke und eine Verwendung dieses Fasergebildes.
Das Fasergebilde gemäss der vorliegenden Erfin dung ist dadurch gekennzeichnet, dass es aus an nähernd parallelen Fasern besteht und mit einer wärmehärtbaren Harzkomposition imprägniert ist, welche folgende Bestandteile enthält:
ein ungesättigtes Alkydharz sowie einen Diallyl- ester einer Dicarbonsäure im Verhältnis von 1 bis 3 Gewichtsteilen Alkydharz pro Gewichtsteil Ester, einen Katalysator für die Beschleunigung der Copoly- merisation von Alkydharz und Diallylester, ein Poly- vinylacetal in einer Menge von 15-75 %,
bezogen auf das Gesamtgewicht von Alkydharz, Diallylester und Polyvinylacetal, und einen Inhibitor zur Verhin derung der Polymerisation der Mischung bei Raum temperatur.
In dynamoelektrischen Maschinen, besonders in solchen hoher Leistung, treten gelegentlich starke Stromstösse auf, die zwischen den Wicklungsköpfen benachbarter Spulen kräftige Magnetfelder erzeugen, wobei beträchtliche Beanspruchungen der Wicklungs köpfe auftreten. Beispielsweise können Einschalt ströme vom fünf- bis siebenfachen Wert des normalen Betriebsstromes bei Vollast auftreten. Die durch sol che Magnetfelder verursachten Beanspruchungen kön nen zu Deformationen der Wicklungsköpfe und zu Beschädigungen von deren Isolierung führen. Aus diesem Grunde müssen Halterungen zur Abstützung und Verstärkung der Wicklungsköpfe vorgesehen werden. Ferner können auch mechanische Vibratio- nen unerwünschte Bewegungen der Wicklungsköpfe ergeben und deren Verstärkung erforderlich machen.
Bei der üblichen Bewicklungsmethode wird eine faserige Baumwollschnur in Schleifen um die Wick- lungsköpfe herumgelegt, verschnürt und verknotet, also dieselben zusammengebunden, wobei jedoch die Wirksamkeit bezüglich der Halterung der Wicklungs köpfe von der Erfahrung des diese Arbeit durchfüh renden Monteurs bei der Bildung der Knoten und deren Verteilung abhängt. Ferner bewirkt bei dieser Art der Halterung das Nachlassen eines Knotens oder das Reissen eines einzigen Fadenstranges eine Locke-. rung des ganzen Gebildes, was eine merkliche Ver ringerung der Verfestigung der Wicklungsköpfe zur Folge hat.
Bei der Fabrikation elektrischer Motore ist die Verwendung von Spulen mit einer Vielzahl von Win dungen aus dünnem Draht erwünschter als von Spu len aus dicken Leitern, und zwar wegen der einfache ren Herstellung solcher Spulen aus dünnem Draht und der damit verbundenen Kostenersparnis. Bisher war die Verwendung von Spulen aus dünnem Draht bei dynamoelektrischen Maschinen mit Rotoren von grossem Durchmesser, und besonders bei solchen für hohe Drehzahlen, wenig zweckmässig, infolge des Feh- lens eines befriedigenden Verfahrens zur Halterung derartiger dünndrahtiger Spulen gegen die Wirkungen der Zentrifugalkraft.
Bei Rotorwicklungen grossen Durchmessers wird bisher zur Halterung der Wicklungsköpfe ein isolier ter Befestigungsring aus Stahl im Raum innerhalb der Innenseite der Wicklungsköpfe und der Welle vor gesehen. Die Wicklungsköpfe der Rotorspulen werden an derselben mittels Baumwollschnur befestigt, die an vielen Stellen längs des Befestigungsringes in Schleifen um diesen und die Wicklungsköpfe herum gelegt wird.
Jede der Schleifen wird verknotet und in ihrer Lage längs des Umfanges befestigt, um die Ge samtheit aller Schleifen an Ort und Stelle zu halten und deren Wegrutschen von einem Teil der Wick- lungsköpfe zu einem anderen Teil derselben unter dem Einfluss der Zentrifugalkräfte zu verhindern, welche bestrebt sind, Teile der Wicklungsköpfe in radialer Richtung zu verlagern.
Neben den durch diese Bauart der Halterung der Wicklungsköpfe gegen radiale Verlagerungen unter der Fliehkraftwirkung auftretenden mechanischen Problemen beansprucht der Befestigungsring auch einen wesentlichen Teil des Raumes zwischen der Innenseite der Wicklungsköpfe und der Welle, was den Umfang des dort hindurch geleiteten Kühlluftstromes beeinträchtigt, der zur Kühlung der Wicklungsköpfe und des Rotorblech- paketes erforderlich ist.
Die Erfindung betrifft nun weiterhin die Verwen dung des erwähnten Fasergebildes in einer dynamo elektrischen Maschine, welche einen Kern aus magne- tisierbarem Material und Wicklungen aus elektri schem Leitermaterial aufweist, wobei die Wicklungen Wicklungsköpfe bilden, die aus den Wicklungsnuten im Kern herausragen, und eine Halterung der Wick lungsköpfe vorhanden ist, wozu ein konzentrisch zu den Wicklungsköpfen angeordneter Haltering vorgese hen ist. Kennzeichnend ist hierbei, dass die Wick lungsköpfe am Haltering durch Umschlingen mit dem Fasergebilde festgebunden werden und das Kunst harzgemisch nachträglich ausgehärtet wird.
Ein insbesondere für dynamoelektrische Maschi nen verwendbares imprägniertes Fasergebilde soll weich, nicht klebend und nachgiebig sein, damit es beispielsweise auf die Spulen leicht aufgebracht wer den kann. Weiterhin soll das Fasergebilde eine aus reichende Zeit lagerfähig sein und dabei weich blei ben. Ferner ist natürlich ebenfalls wichtig, dass das Fasergebilde steif wird und hohe Festigkeit besitzt. Daneben ist auch von Bedeutung, dass die zur Trän kung verwendete Harzkomposition an den Fasern des Fasergebildes haftet. Um darüber hinaus eine sich selbst spannende Halterung zu schaffen, muss die zur Imprägnierung verwendete Harzkomposition beim Härten schrumpfen.
Das erfindungsgemässe Fasergebilde soll all diesen Anforderungen entsprechen und Wicklungen ermög lichen, die hohen Temperaturen standhalten und kor rosionsfrei sind. Vorzugsweise bestehen die Fasern des Fasergebildes aus Glasfäden mit einem Durch messer des Einzelfadens von ungefähr 0,005 mm, wo bei ein Fasergebilde gewöhnlich aus etwa 60 Fäden besteht.
Die Vorteile der Glasfäden liegen in den günsti gen mechanischen und chemischen Eigenschaften die ses Materials und in der Möglichkeit, Fasern von praktisch beliebiger Länge verwenden zu können. Es können jedoch auch organische Fasern, beispielsweise Baumwollfasern mit einer Länge von etwa 20 bis 40 mm, für die Herstellung des Fasergebildes ver wendet werden. Die Baumwollfasern werden dabei zur parallelen Orientierung kardiert und zu Strängen mit einer Dicke von etwa 25 mm Durchmesser zu sammengefasst. Diese Stränge weisen praktisch keine Zugfestigkeit auf und werden daher unter schwacher Verdrehung des Stranges bis zu einem Strangdurch- messer von etwa 6 mm ausgezogen.
Das so erhaltene Fasergebilde wird dann mit der Harzkomposition imprägniert.
Das in der Harzkomposition enthaltene ungesät tigte Alkydharz kann zum Beispiel durch Vereste- rung eines mehrwertigen Alkohols und einer a-unge- sättigten a-ss-Polycarbonsäure wie Diäthylenglycol- maleat hergestellt werden.
Der Diallylester ist das Produkt der Veresterung von Allylalkohol mit einer Dicarbonsäure, wie zum Beispiel Phthalsäure. Die Harzkomposition enthält fernerhin einen Katalysator zur Beschleunigung bzw. Einleitung der Copolymeri- sation (Mischpolymerisation) von Alkydharz und Di- allylester, z. B. Benzoylperoxyd, sowie ein Polyvinyl- acetal, z.
B. Polyvinylformal und einen Inhibitor. Ge eignete Polyvinylacetale sind in den USA-Patent schriften Nrn. 2307588 und 20430 (Wiederausgabe) beschrieben.
Vorzugsweise werden Polyvinylacetale mit einem Polymerisationsgrad verwendet, der höher liegt als der Polymerisationsgrad des Alkydharzes bzw. des bei der Härtung der Harzkomposition entstehenden Mischpolymerisates aus Alkydharz und Diallylester.
Die Verwendung eines solchen relativ hochpoly meren Materials soll der gehärteten Harzkomposition grössere Zähigkeit und grössere Widerstandsfähigkeit gegen Vibrations- und Biegebeanspruchung verleihen, da das bei der Härtung entstehende Mischpolymerisat normalerweise relativ brüchig ist.
Der in der Harzkomposition enthaltene Inhibitor soll die Polymerisation bzw. Härtung bei Raumtem peratur verhindern und ist beispielsweise Chinon oder Hydrochinon.
Vorzugsweise liegt die in der Harzkomposition vorhandene Menge solcher Inhibitoren zwischen 0,001 und 0,01 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht von Alkydharz und Diallylester.
Zur Imprägnierung des Fasergebildes wird die Harzkomposition in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst, das vorzugsweise leichtflüchtig und beispiels weise Äthylendichlorid oder eine Mischung aus Atha- nol mit 1-Nitropropan oder mit Toluol ist.
Die Menge des verwendeten Lösungsmittels be trägt zweekmässigerweise etwa das Fünf- bis Zwanzig fache und vorzugsweise das Zehnfache des Gewichtes an Polyvinylacetal bzw. Polyvinylformal, das in der Harzkomposition vorliegt.
Die Imprägnierung des Fasergebildes mit einer solchen Lösung kann in beliebiger Weise durchgeführt werden. Das Eintauchen des Fasergebildes in ein Bad der Lösung ist besonders vorteilhaft. Nach der Im prägnierung kann das Lösungsmittel durch Trocknen des imprägnierten Produktes während 1/2 bis zwei Stunden bei Raumtemperatur entfernt werden, so dass die Faserstruktur nicht mehr klebrig ist und einfach gehandhabt werden kann. Vorzugsweise sind bei dem imprägnierten Produkt die Hohlräume zwischen den Fasern praktisch vollständig mit der Harzkomposition gefüllt. Das imprägnierte und getrocknete Fasergebilde ist gebrauchsfertig, kann aber auch längere Zeit ohne wesentliche Veränderung seiner Eigenschaften ge lagert werden.
Beim Härten der Harzkomposition tritt häufig eine gewisse Schrumpfung auf, beispielsweise mit einem räumlichen Schrumpfungskoeffizienten von 8 /o und einem linearen Koeffizienten von 2 0/0. Die ser Schrumpfungseffekt kann vorteilhaft zum Erzie len von Spannungen in einer Wicklung des imprä gnierten Fasergebildes ausgenützt werden.
Die Verwendung des imprägnierten Fasergebildes in dynamoelektrischen Maschinen soll nun anhand der beiliegenden Zeichnungen in einigen Beispielen näher erläutert werden. Dabei zeigt: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Stators einer dynamoelektrischen Maschine; Fig. 2 eine perspektivische Teilansicht der Wick lungsköpfe des Statoraufbaues nach Fig. 1; Fig.3 eine Teilansicht ähnlich Fig.2 in einer etwas anderen Aufbauart;
Fig. 4 eine Teilansicht der Innenseite der Wick lungsköpfe eines Stators, aus der die Verschnürung benachbarter Wicklungsköpfe ersichtlich ist; Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Rotors einer dynamoelektrischen Maschine und Fig. 6 eine Teilansicht, teilweise im Schnitt ge zeichnet, der Fig. 5 zur Erläuterung der Verbesserung der Kühlung.
In der Fig. 1 ist ein Statoraufbau einer dynamo elektrischen Maschine mit dem Gehäuse 1 und dem darin befindlichen Kern 2 aus magnetisierbarem Ma terial dargestellt. Der Magnetkern 2 ist mit Wick lungsnuten 3 versehen, in denen sich auf Formen her gestellte Spulen mit Wicklungsköpfen 4 befinden. Bei dem dargestellten Stator weist jede der Spulen eine Längsseite 5 auf, deren eine unten in der Nut 3 liegt, also im grössten radialen Abstand von der Stator- bohrung, und deren andere Längsseite 6 oben in einer anderen Nut 3 liegt. Die Statorspulen sind über meh rere Leitungen 7 mit der Stromquelle verbunden.
Bei dem in Fig.2 dargestellten Ausschnitt des Stators gemäss Fig. 1 sind gleiche Bezugsnummern für gleiche Teile verwendet.
Die nebeneinanderliegenden Längsseiten 5 der Spulen sind durch Keilstücke 8 aus Isoliermaterial voneinander getrennt. Die Keilstücke 8 sind am äusse ren Ende so geformt, dass ein Kanal 9 entsteht, in dem sich der Haltering 10 befindet.
Im Stator nach Fig. 1 und 2 besteht der Ring 10 aus einer Vielzahl Windungen aus dem beschriebenen Fasergebilde. Da dieses in flexiblem Zustand aufge bracht wird, schmiegt es sich eng an die Kontur der äusseren Peripherie der Wicklungsköpfe an. Obwohl der Ring 10 auch aus einem einzigen Faserstrang grösseren Durchmessers hergestellt werden könnte, wird derselbe vorzugsweise aus einer vorgegebenen Anzahl Windungen aus einem dünneren Fasergebilde gefertigt, wobei die Endstücke jeweils in das bereits aufgebrachte Fasergebilde eingedrückt oder einge- schlauft werden, so dass ein endloser Ring beliebiger gewünschter Festigkeit entsteht.
Nach Vollendung des Halteringes 10 um die Statorwickelköpfe wird mit weiteren Fasergebilden in Form der Schleifen 11, der Ring 10 und das jeweils nächstgelegene Paar aussenliegender Spulenseiten 5 der Wickelköpfe umschlungen. Es können zwar auch mehrere aussenliegende Spulenlängsseiten 5 durch eine einzige Schleife 11 mitumfasst werden, jedoch ergibt sich ein festerer Aufbau, wenn nur je zwei umschlun gen werden. Die Schleifen 11 können auf beliebige Weise hergestellt werden, jedoch hat sich die Verwen dung einer gebogenen Nadel nach Art einer Sattler nadel als beste Methode erwiesen.
Bei der Herstel lung der Schleifen 11 kann ein Fasergebilde von be liebiger Länge verwendet werden, und weitere Stücke können jeweils angeknüpft werden, bis alle Spulen längsseiten 5 am Ring 10 befestigt sind. Es sei darauf hingewiesen, dass zur Herstellung der Schleifen 11. die einzige erforderliche Verknüpfungsarbeit bei der Befestigung eines nachfolgenden Fasergebildes am Vorausgehenden auftritt. Falls ein genügend langes Fasergebilde zur Herstellung aller Schleifen 11 zur Verfügung steht, kann auch diese Verknüpfungsarbeit fortfallen. Der wirtschaftliche Vorteil, infolge der Re duzierung der Arbeitsstunden bei der Anbringung ohne jede Verknotung ist recht beträchtlich.
Es ist ersichtlich, dass weitere Fasergebilde in Schleifen 12 rund um die Zuleitungen 7 zu den Spu len und um die Leiter 13 einiger Statorspulen ange bracht werden können. Diese Schleifen 12 können ganz in gleicher Weise wie die oben beschriebenen Schleifen hergestellt werden.
Die fertigen umschlungenen Wicklungen werden dann erhitzt, beispielsweise bei einer Temperatur von 135 C während einer halben Stunde, wodurch der Haltering 10 und die Fasergebilde 11 und 12 in feste Teile, etwa von der Festigkeit des Eisens, umgewan delt werden.
In diesem Endzustand verbinden sich die einan der überlappenden Windungen des Fasergebildes im Ring 10 untereinander und bilden eine feste Hal terung, die den Unregelmässigkeiten der Aussenseite der Wicklungsköpfe angepasst ist. Ferner verbinden sich die den Haltering 10 umhüllenden Schleifen 11 mit demselben und ergeben ein einheitliches Halte gebilde, das eine Bewegung der Wicklungsköpfe nach jeder Richtung verhindert. Infolge des Schrumpf koeffizienten des Harzgemisches spannt sich der Ring 10 selbsttätig um die Wicklungsköpfe, und ebenso pressen die Schleifen 11 die Wicklungsköpfe an den Ring 10, sobald der Härteprozess beginnt.
Die Fig. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel dieser Bauart, unter Verwendung eines metallischen Halteringes 10a anstelle des Geweberinges 10 der Fig. 2. Der Metallring 10a ist mit einem Isolierüber- zug versehen, um Kurzschlüsse der Wicklungsköpfe 4 zu vermeiden. Bei dieser Ausführung umschliessen die Schleifen 11 ebenfalls die äusseren Spulenlängs- seiten 5 der Wicklungsköpfe und den Metallring 10a, um die Wicklungsköpfe am Haltering zu befestigen.
Nach Aushärtung des Kunstharzes, mit dem das Fa sergebilde der Schleifen 11 getränkt ist, bilden diese feste selbsttragende Halterungen, die zur Befestigung der einzelnen Wicklungsköpfe 5 am Ring 10a dienen. Eine zusätzliche Halterung der Wicklungsköpfe ist durch eine Befestigung des Ringes 10a am Gehäuse I mittels einer Vielzahl von Schleifen 21 aus Fasergebil den erzielbar, die den Ring 10a umschliessen und durch Augen 22 am Gehäuse 1 hindurchgefädelt sind.
Es sei darauf hingewiesen, dass jede einzelne der Schleifen 11 eine kleine selbsttragende und sich selbst spannende Halterung darstellt, was zur Folge hat, dass bei Zerstörung oder beim Reissen einer dersel ben die übrigen Schleifen weiterhin die Wicklungs köpfe festhalten, während beim üblichen Festbinden mit Schnur das Reissen an irgendeiner Stelle zur Lok kerung der gesamten Halterung der Wicklungsköpfe führt. Da jede einzelne der Schleifen 11, 12 und 21 fest und selbsttragend ist, hat selbstverständlich das Zerreissen oder Brechen einer einzelnen Schleife kei nen Einfluss auf die Halterung seitens der übrigen Schleifen.
In der Fig. 4 ist eine Teilansicht der Mittel zur Erzielung einer zusätzlichen Halterung für die inne ren Spulenlängsseiten 6 wiedergegeben. Hierbei wird eine flexible Bandage 15 aus einem oder mehreren Fasergebilden des vorliegenden Aufbaues um zwei oder mehrere benachbarte innenliegende Spulenlängs- seiten 6 herumgeschlungen. Durch mehr als eine sol che Bandage längs der Innenseite der Wicklungsköpfe ergibt sich eine weitere Verstärkung der Halterung für die Wicklungsköpfe.
Ferner kann das imprägnierte Fasergebilde der vorliegenden Art auch zur Befestigung der Spulenlei- ter 13 untereinander dienen, wie bei 16 gezeigt, indem das Fasergebilde um jeweils aufeinanderfolgende Lei ter herumgeschlungen, mit einem Halbknoten 17 fest gemacht und mit dem nächstfolgenden Leiter verbun den wird.
Es ist nun ersichtlich, dass beim Aushärten der Kunstharzkomposition die Bandagen 15 und 16 das Zusammenpressen benachbarter Leiter bewirken. Da das Kunstharz aber sehr fest ist, dient es zur Hal terung benachbarter Leiter in ihrer Lage zueinander gegenüber Zug- und Druckkräften.
Die Fig. 5 und 6 zeigen einen Rotor einer dynamo elektrischen Maschine mit einer Wicklung aus Spu len, mit einer grossen Zahl von dünndrahtigen Win dungen, besonders für die Verwendung in Maschinen mit grosser Leistung, grossem Rotordurchmesser und hoher Drehzahl bestimmt.
Der Rotor, als Ganzes mit 23 bezeichnet, besitzt eine Welle 24, die den Rotor-Magnetkern 25 trägt. Der Kern 25 ist mit Nuten für die in üblicher Weise angeordneten Spulen 26 versehen. Die Spulen 26 bilden an jedem Ende des Rotors 23 Wicklungsköpfe 27, die gegen die Wirkung der Fliehkraft zuverlässig gehalten sein müssen, angesichts der Biegsamkeit des in den Spulen verwendeten dünnen Drahtes. Die Fasergebilde 28 umschliessen die Wicklungs köpfe der verschiedenen Spulen mit einer Vielzahl von Windungen 28a dicht nebeneinander rings um den Umfang der Wicklungsköpfe, wodurch eine durch brochene, spiralartige, eng anliegende Umhüllung der Wicklungsköpfe entsteht.
Vorzugsweise werden die Windungen 28a aus einem Fasergebilde 28 herge stellt, dessen Enden miteinander verknüpft werden, wodurch eine in sich geschlossene Spiralumhüllung entsteht.
Dann wird das Fasergebilde 28 rund um die Wicklungsköpfe gewickelt und damit die einzelnen Wicklungsköpfe der verschiedenen Spulen zusammen gezogen. Anschliessend erfolgt das Aushärten der Kunstharzkomposition, um eine feste selbsttragende Spiralhülle zu schaffen, welche die einzelnen Wick lungsköpfe der Spulen zusammenhält und eine Ver lagerung derselben gegeneinander verhindert. Da eine Relativbewegung der Wicklungsköpfe untereinander verhindert ist, unterstützen sich die Wicklungsköpfe der Spulen gegenseitig.
Am Rotor nach Fig. 5 und 6 ist eine Vielzahl von Windungen 28b längs des Umfanges vorgesehen, zwecks Bildung einer in radialer Richtung dünnen, in axialer Richtung breiten Haltebandage, wie aus Fig.6 ersichtlich, welche praktisch alle Teile der Rotorwicklungsköpfe zusammenhält. Die Wicklungs köpfe sind vorzugsweise am Ende gegen die Welle zu geneigt, so dass die von den Windungen 28b gebil dete Hülle konische Gestalt besitzt, was eine verbes serte Führung für durch die Wicklungsköpfe strö mende Kühlluft ergibt. Weitere Windungen 28c aus Fasergebilde umschliessen sowohl die Wicklungs köpfe wie auch die Hülle 28b.
Bei der Härtung der Kunstharzkomposition wird dieses fest, und die Win dungen 28a vereinigen sich mit der Bandage 28b und den Windungen 28c zu einem einheitlichen Gebilde, das die Wicklungsköpfe gegen die Wirkung der Zen trifugalkraft festhält.
Es wurden Untersuchungen angestellt zwecks Er- mittung der Wirksamkeit der Halterung der Wick lungsköpfe nach Fig. 5. Bei der fünffachen Nenndreh zahl war die Halterung nach Fig. 5 noch vollständig und ohne jedes Anzeichen einer Beschädigung oder Deformation der Wicklungsköpfe und Fasergebilde. Dagegen ergeben sich befriedigende Resultate bei der bisher üblichen Bauart mit Baumwollschnur nur bis zu einer um 25 % über der Nenndrehzahl liegenden Tourenzahl.
Die Bedeutung des vorliegenden Auf baues ist besonders daraus erkennbar, dass die für die Vergleichsversuche verwendete Baumwollschnur eine Zugfestigkeit von 453 kg/cm2, das nichtimprägnierte Glasfasergebilde eine Zugfestigkeit von nur 343 kg/cm2 aufwies.
Aus der Fig. 6 ist die Art und Weise ersichtlich, wie die aus Fasergebilde bestehende äussere Umwick lung 28b die Kühlwirkung an den Rotorwicklungs- köpfen verbessert. Die gegenseitige überlappung der einzelnen Windungen aus Fasergebilde ergibt eine selbsttragende Hülse um die Aussenseite der Wick lungsköpfe, die den Luftstrom dicht an der Wick lung vorbei zu den Öffnungen leitet, wie durch die Pfeile in Fig. 6 angedeutet.
Es sei ferner darauf hin gewiesen, dass infolge der den Luftstrom zu den öff- nungen in der Wicklung leitenden Hülse 28b, die aus dem Rotorkern herausragenden Teile der Wicklungs köpfe wie Ventilatorflügel wirken und dadurch Luft durch die Spulen fördern, was die Ableitung einer grösseren Wärmemenge vom Rotor und den Wick lungsköpfen ermöglicht. Da die vorliegende Bauweise einen Haltering im Raum zwischen der Welle und der Innenseite der Wicklungsköpfe entbehrlich macht, er gibt sich praktisch der doppelte Strömungsquerschnitt für die Kühlluft.
Diese beiden Effekte, nämlich die Querschnittsvergrösserung und die Wirkung der Hülse 28b, ermöglichen die Konstruktion eines Rotors, der ohne Nachteil mit höherer Belastung betrieben wer den kann.
Der Verzicht auf einen metallischen Haltering an der inneren Peripherie der Rotorwicklungsköpfe er gibt einen weiteren Vorteil. Falls der Ring aus ma- gnetisierbarem Material besteht, wird der Blindwider stand des Rotors durch den Magnetfluss erhöht, der mit dem Ring und den Spulen verkettet ist. Während dies bei den üblichen Induktionsmotoren mit Rotor wicklung für die niedrige elektrische Rotorfrequenz unkritisch ist, kann diese Blindwiderstandserhöhung bei Frequenzwandlern der Induktionsbauart mit hohen Rotorfrequenzen von Bedeutung sein.
Impregnated fiber structure for electrical engineering purposes The present invention relates to an impregnated fiber structure for electrical engineering purposes and a use of this fiber structure.
The fiber structure according to the present invention is characterized in that it consists of almost parallel fibers and is impregnated with a thermosetting resin composition which contains the following components:
an unsaturated alkyd resin and a diallyl ester of a dicarboxylic acid in a ratio of 1 to 3 parts by weight of alkyd resin per part by weight of ester, a catalyst for accelerating the copolymerization of alkyd resin and diallyl ester, a polyvinyl acetal in an amount of 15-75%,
based on the total weight of alkyd resin, diallyl ester and polyvinyl acetal, and an inhibitor to prevent the polymerization of the mixture at room temperature.
In dynamoelectric machines, especially in those high power, occasionally strong current surges occur, which generate strong magnetic fields between the winding heads of adjacent coils, with considerable stresses on the winding heads occur. For example, inrush currents of five to seven times the value of the normal operating current can occur at full load. The stresses caused by such magnetic fields can lead to deformation of the winding heads and damage to their insulation. For this reason, brackets must be provided to support and reinforce the winding heads. Furthermore, mechanical vibrations can also result in undesired movements of the winding heads and make them necessary to reinforce them.
In the usual winding method, a fibrous cotton cord is placed in loops around the winding heads, tied and knotted, i.e. they are tied together, but the effectiveness with regard to holding the winding heads depends on the experience of the fitter performing this work in forming the knots and the distribution of which depends. Furthermore, with this type of holder, the loosening of a knot or the tearing of a single strand of thread causes a curl. tion of the whole structure, which has a noticeable reduction in the solidification of the end turns.
In the manufacture of electric motors, the use of coils with a variety of windings made of thin wire is more desirable than Spu len made of thick conductors, because of the simpler production of such coils from thin wire and the associated cost savings. Up to now, the use of coils made of thin wire in dynamoelectric machines with rotors of large diameter, and especially in those for high speeds, was not very practical due to the lack of a satisfactory method for holding such thin wire coils against the effects of centrifugal force.
In rotor windings of large diameter, an isolier ter fastening ring made of steel in the space within the inside of the winding heads and the shaft is previously seen to hold the winding heads. The winding heads of the rotor coils are attached to the same by means of cotton cord which is placed in loops around the fastening ring and the winding heads at many points along the fastening ring.
Each of the loops is knotted and fastened in place along the perimeter to hold the entirety of all loops in place and to prevent them from slipping from one part of the winding heads to another part of the same under the influence of centrifugal forces strive to move parts of the end turns in the radial direction.
In addition to the mechanical problems arising from this type of mounting of the end windings against radial displacements under the effect of centrifugal force, the fastening ring also takes up a substantial part of the space between the inside of the end windings and the shaft, which affects the extent of the cooling air flow passed through it, which is used to cool the Winding heads and the rotor core is required.
The invention now further relates to the use of the aforementioned fiber structure in a dynamo-electric machine, which has a core made of magnetizable material and windings made of electrical conductor material, the windings forming end turns that protrude from the winding slots in the core, and a holder the winding heads is available, including a concentric to the winding heads arranged retaining ring vorgese hen. It is characteristic here that the winding heads are tied to the retaining ring by being looped around with the fiber structure and the synthetic resin mixture is subsequently cured.
An impregnated fiber structure that can be used in particular for dynamo-electric machines should be soft, non-sticky and flexible so that it can easily be applied to the coils, for example. Furthermore, the fiber structure should be able to be stored for a sufficient period of time while remaining soft. Furthermore, it is of course also important that the fiber structure is stiff and has high strength. In addition, it is also important that the resin composition used for impregnation adheres to the fibers of the fiber structure. In addition, in order to create a self-tensioning holder, the resin composition used for impregnation must shrink during hardening.
The fiber structure according to the invention should meet all of these requirements and allow windings that can withstand high temperatures and are corrosion-free. Preferably, the fibers of the fiber structure consist of glass threads with a diameter of the single thread of about 0.005 mm, where a fiber structure usually consists of about 60 threads.
The advantages of the glass threads are the favorable mechanical and chemical properties of this material and the possibility of using fibers of practically any length. However, organic fibers, for example cotton fibers with a length of about 20 to 40 mm, can also be used for the production of the fiber structure. The cotton fibers are carded for parallel orientation and combined into strands with a thickness of about 25 mm in diameter. These strands have practically no tensile strength and are therefore pulled out to a strand diameter of about 6 mm with slight twisting of the strand.
The fiber structure thus obtained is then impregnated with the resin composition.
The unsaturated alkyd resin contained in the resin composition can be produced, for example, by esterifying a polyhydric alcohol and an α-unsaturated α-β-polycarboxylic acid such as diethylene glycol maleate.
The diallyl ester is the product of the esterification of allyl alcohol with a dicarboxylic acid such as phthalic acid. The resin composition also contains a catalyst to accelerate or initiate the copolymerization (mixed polymerization) of alkyd resin and diallyl ester, eg. B. Benzoyl peroxide, and a polyvinyl acetal, z.
B. polyvinyl formal and an inhibitor. Suitable polyvinyl acetals are described in U.S. Patent Nos. 2307588 and 20430 (reissue).
Preference is given to using polyvinyl acetals with a degree of polymerization which is higher than the degree of polymerization of the alkyd resin or of the mixed polymer of alkyd resin and diallyl ester formed when the resin composition is cured.
The use of such a relatively hochpoly mers material should give the cured resin composition greater toughness and greater resistance to vibration and bending stress, since the copolymer formed during curing is normally relatively brittle.
The inhibitor contained in the resin composition is intended to prevent polymerization or curing at room temperature and is, for example, quinone or hydroquinone.
The amount of such inhibitors present in the resin composition is preferably between 0.001 and 0.01 percent by weight, based on the weight of alkyd resin and diallyl ester.
To impregnate the fiber structure, the resin composition is dissolved in a suitable solvent, which is preferably highly volatile and, for example, ethylene dichloride or a mixture of ethanol with 1-nitropropane or with toluene.
The amount of solvent used is usually about five to twenty times and preferably ten times the weight of polyvinyl acetal or polyvinyl formal that is present in the resin composition.
The impregnation of the fiber structure with such a solution can be carried out in any desired manner. Immersing the fiber structure in a bath of the solution is particularly advantageous. After the impregnation, the solvent can be removed by drying the impregnated product for 1/2 to two hours at room temperature, so that the fiber structure is no longer sticky and can be easily handled. In the case of the impregnated product, the voids between the fibers are preferably almost completely filled with the resin composition. The impregnated and dried fiber structure is ready for use, but can also be stored for a long time without any significant change in its properties.
When the resin composition cures, some shrinkage often occurs, for example with a spatial shrinkage coefficient of 8 / o and a linear coefficient of 2 0/0. This shrinkage effect can be used to advantage to achieve tension in a winding of the impregnated fiber structure.
The use of the impregnated fiber structure in dynamoelectric machines will now be explained in more detail with reference to the accompanying drawings in some examples. 1 shows a perspective view of a stator of a dynamoelectric machine; Fig. 2 is a partial perspective view of the winding heads of the stator structure of Fig. 1; FIG. 3 is a partial view similar to FIG. 2 in a somewhat different construction;
4 is a partial view of the inside of the winding heads of a stator, from which the lacing of adjacent winding heads can be seen; 5 is a perspective view of a rotor of a dynamoelectric machine and FIG. 6 is a partial view, partly in section, of FIG. 5 to explain the improvement of the cooling.
In Fig. 1, a stator structure of a dynamo electric machine with the housing 1 and the core 2 located therein made of magnetizable Ma material is shown. The magnetic core 2 is provided with winding grooves 3, in which there are coils with winding heads 4 made on forms. In the stator shown, each of the coils has a longitudinal side 5, one of which lies at the bottom in the groove 3, that is to say at the greatest radial distance from the stator bore, and the other longitudinal side 6 of which lies above in another groove 3. The stator coils are connected to the power source via several lines 7.
In the section of the stator according to FIG. 1 shown in FIG. 2, the same reference numbers are used for the same parts.
The adjacent longitudinal sides 5 of the coils are separated from one another by wedge pieces 8 made of insulating material. The wedge pieces 8 are shaped at the outer end so that a channel 9 is created in which the retaining ring 10 is located.
In the stator according to FIGS. 1 and 2, the ring 10 consists of a large number of turns made of the fiber structure described. Since this is brought up in a flexible state, it hugs the contour of the outer periphery of the end turns. Although the ring 10 could also be made from a single fiber strand of larger diameter, it is preferably made from a predetermined number of turns from a thinner fiber structure, the end pieces being pressed or looped into the already applied fiber structure, so that an endless ring any desired strength arises.
After completion of the retaining ring 10 around the stator winding heads, further fiber structures in the form of loops 11, the ring 10 and the respectively closest pair of outer coil sides 5 of the winding heads are wrapped. A single loop 11 can also encompass a number of outer longitudinal coil sides 5, but the result is a more solid structure if only two are wrapped around each. The loops 11 can be made in any way, but the use of a curved needle like a saddlery needle has proven to be the best method.
In the manufacture of the loops 11, a fiber structure of any length can be used, and further pieces can be linked until all the coils 5 are attached to the ring 10 along the long sides. It should be pointed out that for the production of the loops 11, the only necessary linking work occurs when attaching a subsequent fiber structure to the preceding one. If a sufficiently long fiber structure is available to produce all the loops 11, this linking work can also be omitted. The economic advantage, as a result of the reduction in working hours when installing without any knots, is quite considerable.
It can be seen that other fiber structures in loops 12 around the leads 7 to the Spu len and around the conductors 13 of some stator coils can be introduced. These loops 12 can be produced in exactly the same way as the loops described above.
The finished wrapped windings are then heated, for example at a temperature of 135 C for half an hour, whereby the retaining ring 10 and the fiber structures 11 and 12 are converted into solid parts, such as the strength of the iron.
In this final state, the overlapping turns of the fiber structure connect with one another in the ring 10 and form a fixed holder that is adapted to the irregularities of the outside of the winding heads. Furthermore, the loops 11 surrounding the retaining ring 10 connect to the same and result in a uniform retaining structure which prevents the winding heads from moving in any direction. As a result of the shrinkage coefficient of the resin mixture, the ring 10 is automatically tensioned around the end windings, and the loops 11 also press the end windings against the ring 10 as soon as the hardening process begins.
FIG. 3 shows another exemplary embodiment of this type, using a metal retaining ring 10a instead of the fabric ring 10 of FIG. 2. The metal ring 10a is provided with an insulating cover in order to avoid short circuits of the winding heads 4. In this embodiment, the loops 11 also enclose the outer coil longitudinal sides 5 of the winding heads and the metal ring 10a in order to fasten the winding heads to the retaining ring.
After hardening of the synthetic resin, with which the Fa sergebilde of the loops 11 is impregnated, these form solid self-supporting brackets which are used to attach the individual winding heads 5 to the ring 10a. An additional mounting of the winding heads can be achieved by fastening the ring 10a to the housing I by means of a plurality of loops 21 made of fibrous structure, which enclose the ring 10a and are threaded through eyes 22 on the housing 1.
It should be noted that each of the loops 11 is a small self-supporting and self-tensioning holder, with the result that if one of them is destroyed or torn, the remaining loops continue to hold the winding heads, while the usual tying with string the tearing at any point leads to the Lok kerung of the entire bracket of the winding heads. Since each of the loops 11, 12 and 21 is solid and self-supporting, the tearing or breaking of an individual loop will of course have no effect on the holding by the other loops.
In Fig. 4 is a partial view of the means for achieving an additional bracket for the inner Ren coil sides 6 is shown. In this case, a flexible bandage 15 made of one or more fiber structures of the present structure is looped around two or more adjacent inner longitudinal coil sides 6. More than one such bandage along the inside of the winding heads results in a further reinforcement of the holder for the winding heads.
Furthermore, the impregnated fiber structure of the present type can also be used to fasten the coil conductors 13 to one another, as shown at 16, by looping the fiber structure around successive lines, tying it with a half-knot 17 and connecting it to the next line.
It can now be seen that when the synthetic resin composition hardens, the bandages 15 and 16 cause adjacent conductors to be pressed together. Since the synthetic resin is very strong, it is used to hold neighboring conductors in their position in relation to each other against tensile and compressive forces.
5 and 6 show a rotor of a dynamo electric machine with a winding of Spu len, with a large number of thin-wire windings, especially intended for use in machines with high power, large rotor diameter and high speed.
The rotor, designated as a whole by 23, has a shaft 24 which carries the rotor magnetic core 25. The core 25 is provided with grooves for the coils 26, which are arranged in the usual manner. At each end of the rotor 23, the coils 26 form end turns 27, which must be held reliably against the effect of the centrifugal force, given the flexibility of the thin wire used in the coils. The fiber structures 28 enclose the winding heads of the various coils with a plurality of turns 28a close to one another around the circumference of the winding heads, whereby a broken, spiral-like, tight-fitting covering of the winding heads is created.
The turns 28a are preferably made from a fiber structure 28, the ends of which are linked to one another, whereby a self-contained spiral envelope is formed.
Then the fiber structure 28 is wound around the winding heads and thus the individual winding heads of the various coils are drawn together. The synthetic resin composition is then hardened to create a solid, self-supporting spiral casing that holds the individual winding heads of the coils together and prevents them from moving against one another. Since a relative movement of the winding heads with one another is prevented, the winding heads of the coils support one another.
On the rotor according to FIGS. 5 and 6, a plurality of turns 28b is provided along the circumference for the purpose of forming a retaining bandage which is thin in the radial direction and wide in the axial direction, as can be seen from FIG. The winding heads are preferably inclined towards the shaft at the end so that the casing formed by the turns 28b has a conical shape, which results in improved guidance for cooling air flowing through the winding heads. Further turns 28c made of fiber structure enclose both the winding heads and the sheath 28b.
During the hardening of the synthetic resin composition, it becomes solid, and the windings 28a combine with the bandage 28b and the windings 28c to form a unitary structure that holds the winding heads against the effect of the centrifugal force.
Investigations were carried out to determine the effectiveness of the holder of the winding heads according to FIG. 5. At five times the nominal speed, the holder according to FIG. 5 was still complete and without any sign of damage or deformation of the winding heads and fiber structures. In contrast, the conventional construction with cotton cord only gives satisfactory results up to a number of revolutions that is 25% above the nominal speed.
The importance of the present structure is particularly evident from the fact that the cotton cord used for the comparative tests had a tensile strength of 453 kg / cm2, the non-impregnated glass fiber structure had a tensile strength of only 343 kg / cm2.
FIG. 6 shows the manner in which the outer wrapping 28b consisting of fiber structures improves the cooling effect on the rotor winding heads. The mutual overlap of the individual turns of fiber structure results in a self-supporting sleeve around the outside of the winding heads, which directs the air flow close to the winding over to the openings, as indicated by the arrows in FIG.
It should also be pointed out that as a result of the sleeve 28b conducting the air flow to the openings in the winding, the parts of the winding heads protruding from the rotor core act like fan blades and thereby convey air through the coils, which dissipates a larger amount of heat made possible by the rotor and the winding heads. Since the present design makes a retaining ring in the space between the shaft and the inside of the winding heads unnecessary, it is practically twice the flow cross-section for the cooling air.
These two effects, namely the increase in cross section and the effect of the sleeve 28b, allow the construction of a rotor which can be operated with a higher load without disadvantage.
The fact that there is no metallic retaining ring on the inner periphery of the rotor winding heads gives it another advantage. If the ring is made of magnetisable material, the reactance of the rotor is increased by the magnetic flux that is linked to the ring and the coils. While this is not critical for the low electrical rotor frequency in conventional induction motors with rotor winding, this increase in reactance can be important in induction type frequency converters with high rotor frequencies.