Schutzanordnung für die Wickelkopfisolation an einer dynamoelektrischen Maschine Die Erfindung betrifft eine Schutzanordnung für die Wickelkopfisolation an einer dynamoelektrischen Ma schine. Die Anwendbarkeit der Erfindung erstreckt sich auf dynamoelektrische Maschinen mit verschiedenen Wicklungsanordnungen, insbesondere aber auf solche mit formgewickelten Spulen.
Für manche dynamoelektrische Maschinen, wie Wechselstrom- und Gleichstrommotoren, Generatoren und Umformer werden formgewickelte Spulen für die Wicklung verwendet, wobei jede Spule mehrere Lagen eines zu einer geschlossenen Schleife gewickelten Kupferleiters aufweist. Die Oberfläche der Spule wird mit einer Isolation mit den erforderlichen dielektrischen Eigenschaften versehen, worauf die Spule in den Ma gnetkern der Maschine eingesetzt wird. Teile dieser Spulen, üblicherweise als Wickelkopf oder Endwindung bezeichnet, ragen dabei über die Stirnseiten des Kerns hinaus. Im Betrieb der Maschine werden die Spulen mit hohen Strömen belastet, hauptsächlich während des Starts und beim Auftreten von Belastungsspitzen.
Solche hohen Ströme entwickeln extrem starke Magnetfelder wechselnder Intensität, .die mit den Endwindungen ver kettet sind und Verschiebungen derselben hervorrufen. Solche Verschiebungen bewirken, dass benachbarte Endwindungen aneinander reiben und schürfen, bis es zum Durchscheuern der Wicklungsisolation und damit zum Kurzschluss zwischen den Windungen und zum vorzeitigen Ausfall der Maschine kommt. Daraus er geben sich ernsthafte Schwierigkeiten hauptsächlich bei Spezialmotoren für Ladebrücken, Greifer, Hebevor richtungen oder für andere Anwendungen, die häufige Drehrichtungswechsel oder häufiges Anlaufen und Bremsen erfordern.
Es ist vorgeschlagen worden, die erwähnten schäd lichen Auswirkungen durch Anwendung dickerer und/ oder abriebfesterer Isolation des Wickelkopfes zu ver mindern, doch haben solche Versuche fehlgeschlagen und die Schwierigkeiten nicht beseitigt. Darüber hinaus beeinträchtigt eine dickere Isolation die Kühlung, was neuen Problemen ruft. Andere Versuche, den Schwierig- keiten beizukommen, sahen Mittel vor, um die Ver schiebungen des Wickelkopfes zu verhindern, beispiels weise durch Verstreben, Abbinden oder Abstützen in verschiedenen Varianten.
Zwar konnte durch solche Massnahmen das Ausmass der Verschiebung der End- windungen herabgesetzt werden, doch bleiben Relativ bewegungen in genügendem Ausmass bestehen, um be trächtliche Scheuerwirkungen an der Isolation der End- windungen hervorzurufen, die den vorzeitigen Ausfall von Maschinen zur Folge haben.
Wenn auch Abstütz- anordnungen und .dergleichen für den Wickelkopf an Statorspulen entwickelt wurden, welche die Wickelkopf- Verschiebungen wesentlich einzuschränken vermögen, so sind entsprechend wirksame Anordnungen für die Abstützung der Endwindungen ,der Spulen von rotieren den Ankern bisher nicht bekannt geworden.
Die ver fügbaren Mittel und Techniken zum Abbinden und Abstützen des Rotor-Wickelkopfes verhindern zwar wirksam die radiale Ausbiegung der Endwindungen ent gegen dem Angriff der Zentrifugalkräfte, sie sind jedoch wenig wirksam zur Verhinderung von Relativbewegun gen zwischen benachbarten Endwindungen infolge mag netischer Vibrations- und thermischer Wechselkräfte.
Somit bleibt das Problem des Durchscheuerns der Wickelkopf-Isolation bestehen und ist besonders hart näckig bei Gleichstrommaschinen für harte Betriebsbe dingungen, wie z. B. Gleichstrommotoren für Greifer, Hebezeuge usw.
Mit der vorliegenden Erfindung wird angestrebt, eine neuartige Wickelkopf-Anordnung zu schaffen, mit wel cher die seit langem bestehende Schwierigkeit des Durchscheuerns der Wickelkopfisolation behoben wird, indem ein gewisses Mass von freier Bewegung ohne Scheuerwirkung zwischen den Endwindungen zugelassen wird, anstatt eine solche Bewegung überhaupt zu unter drücken.
Die Erfindung betrifft eine Schutzanordnung. für die Wickelkopfisolation an einer dynamoelektrischen Ma schine, welche mindestens einen genuteten Kern auf weist, mit in die Nuten eingelegten, die Wicklung des Kerns bildenden Spulen, welche einander überlappende, axial aus den Nuten herausragende Endwindungen aufweisen, und mit Mitteln zum Abstützen der End windungen gegenüber im Betrieb der Maschine auf tretenden Kräften und zur Verhinderung übermässiger Verschiebungen infolge solcher Kräfte.
Die erfindungs- gemässe Schutzanordnung ist gekennzeichnet durch eine zwischen vertikal benachbarte Bereiche der Endwindun- gen eingefügte Zwischenlage aus einem reibungsarmen Kunststoffmaterial, welches Material bei maximaler Be triebstemperatur der Maschine einer Druckspannung von etwa 35 kglcm2 ohne Überschreiten der Elastizitäts- grenze widerstehen kann, um eine Separierung der ge nannten überlappenden Bereiche der Endwindungen aufrechtzuerhalten.
In der nachfolgenden Beschreibung und in den An sprüchen soll der Ausdruck behandelt im weitesten Sinne verstanden werden und irgend welche Verände rungen des Materials durch Überziehen, Imprägnieren usw., die ihm die gewünschte reibungsarme Oberfläche verleihen, umfassen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nach stehend in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben: Fig. 1 zeigt eine teilweise geschnittene Partie eines aktiven Teils einer dynamoelektrischen Maschine, und Fig. 2 ist ein Schnitt durch einen Teil eines formge wickelten Rotors einer dynamoelektrischen Maschine.
In Fig. 1 ist eine Partie eines aktiven Teils 10 einer dynamoelektrischen Maschine dargestellt. Der Teil 10, beispielsweise ein Rotor, weist einen Kern 12 auf, der aus einer Vielzahl von Lamellen oder Blechen 11 eines magnetischen Materials geschichtet ist. Der Kern 12 ist mit einer Mehrzahl von axial verlaufenden Nuten 13 am Umfang versehen, in welche Spulen 14 eingelegt sind, die die Wicklung des Teils 10 bilden.
Die Spulen 14 können beliebig angeordnet und ent weder formgewickelt oder regellos gewickelt sein. Da die Erfindung zur Anwendung bei formgewickelten Spulen an Rotoren besonders geeignet ist, soll dieser Fall nach stehend im Detail beschrieben werden. Die formge wickelten Spulen können in bekannter Weise aus einer Anzahl von Leitern aufgebaut sein, die in einer geschlos senen Schleife angeordnet und zum Anschluss an einem Kommutotor mit Spulenanschlüssen (nicht dargestellt) versehen sind. Die genannte Schleife wird dann zwecks Isolierung von Spule zu Spule und gegen Masse mit einem geeigneten elektrischen Isoliermaterial überzogen bzw. umwickelt.
Der Teil 10, in Fig. 2 als Rotor darge stellt, ist auf einer Welle 20 montiert und zum elektro dynamischen Zusammenwirken mit einem (nicht darge stellten) Stator bestimmt, entsprechend dem bekannten Prinzip elektrodynamischer Maschinen.
Die Wicklung des Kerns 12 kann in bekannter Weise entweder formgewickelt oder regellos gewickelt sein. Ausserdem kann die Wicklung aus vollständigen form gewickelten Spulen oder aus sogenannten Halbspulen zusammengesetzt sein, wobei jede Spule zwei Spulen seiten aus elektrisch isolierten Kupferbandleitern auf weist, welche separat in verschiedene Nuten des Kerns eingelegt und an ihren Enden mittels geeigneter Ver bindungsleitungen zusammengeschlossen sind.
Jede der Spulen 14 hat eine obere Spulenseite 22 und eine untere Spulenseite 23, die in üblicher Weise in die Nuten 13 eingelegt sind. Die Spulenseiten sind von den Nuten durch eine geeignete Nutenisolation 25 ge trennt. Weil die eine Spulenseite 22 oben in einer Nut liegen soll, während die andere Spulenseite 23 auf den Nutengrund einer um einen vorbestimmten elektrischen Winkel versetzten Nut zu liegen kommt, weisen die End windungen 28 der einzelnen Spulen, welche die gesamte Wicklung ausmachen, eine gegenseitige überlappung auf.
Wie in solchen Fällen üblich, ist zwischen oben und unten bzw. zwischen den radial versetzten Teilen der einander überlappenden Endwindungen 28 eine elek trische Isolation in Form eines eingeschobenen, recht eckigen Streifens 30 aus einem elektrisch isolierenden Schichtmaterial, beispielsweise einem mit Kunstharz im- prägmerten Glasgewebe vorgesehen. Der Streifen 30 erstreckt sich in seiner Breite üblicherweise von der Stirnseite des Kerns 12 bis zur Innenseite der Biegung oder Nase der Endwindungen 28.
Die über den Kern hinausragenden Endwindungen 28, welche den Wickelkopf bilden, sind zur Vermeidung übermässiger Verschiebungen bzw. Durchbiegungen in folge d er Wirkung oder Zentrifugalkraft abgestützt, indem sie satt gegen einen ringförmigen Träger 40 gebunden sind, welcher Träger auf der Innenseite des Wickel kopfes am Kern 12 befestigt ist. Der Träger 40 kann aus Isoliermaterial bestehen oder, wie in Fig. 2 dargestellt, aus Metall hergestellt und mittels einer geeigneten Zwi schenlage 42 gegenüber den Endwindungen 28 isoliert sein.
Vorzugsweise sind die Endwindungen zur Ver meidung grösserer Verschiebungen infolge von beim Betrieb der Maschine auftretenden Kräfte durch eine starre Stützanordnung 4.5 gesichert, die aus einander überlappenden Windungen eines Gewebebandes gebildet ist, welches mit einem wärmehärtenden Kunstharz im prägniert und anschliessend in geeigneter Weise gehärtet ist. Eine solche Stützanordnung vermag übermässige radiale Verschiebungen der Endwindungen 28 infolge von Zentrifugalkräften wirksam verhindern.
Selbst mit einer solchen Anordnung führen jedoch die Endwin- dungen gewisse Relativbewegungen untereinander, ge genüber der Stützanordnung 45 wie auch gegenüber dem Kern 12 und dem Träger 40 aus, welche Bewegungen auf die Wirkung von Trägheits-, magnetischen, Vibra- tions- und thermischen Wechselkräften zurückzuführen sind. Ausserdem hat die Bandage oder Stützanordnung 45 die Tendenz, die Endwindugen 28 der einzelnen Spulen gegeneinanderzupressen, wodurch die radial be nachbarten Flächen derselben, vor allem an den Kreu zungsstellen, einander berühren.
Dies führte bisher in Verbindung mit den Relativbewegungen der Endwin- dungen häufig zum Durchscheuern der elektrischen Iso lation.
Mit den Massnahmen der vorliegenden Erfindung kannten jedoch unerwarteterweise und entgegen früherer Versuche vorzeitige Maschinenausfälle infolge Durch scheuerns der Isolation verhindert werden, indem ein gewisses Mass von freier Bewegung zugelassen wurde. Dies wird erreicht durch Einfügen eines Streifens 52 aus einem reibungsarmen Kunststoffmaterial zwischen die überlappenden Endwindungen 28.
Dieser Streifen wirkt als Gleitstreifen , welcher eine dauernde Separie- rung zwischen den überlappenden Endwindungen auf rechterhält und ein gewisses Ausmass an freier, prak tisch abriebloser Bewegung zwischen den Endwindungen und dem Gleitstreifen zulässt. Gegebenenfalls kann ein Streifen aus reibungsarmem Kunststoff sowohl über als auch unter dem Isolierstreifen 30 eingefügt werden. In den meisten Fällen hat sich jedoch ein einziger Streifen 52 zwischen den oberen und unteren Partien der End windungen als völlig ausreichend erwiesen.
Der Streifen 52 soll die Trennung zwischen den Endwindungen und die freie Gleitbewegung über den ganzen Bereich der Betriebstemperaturen der Maschine aufrechterhalten. Hierzu ist es erforderlich, dass der Streifen bzw. das reibungsarme Kunststoffmaterial bei der maximal auftretenden Betriebstemperatur der Ma schine einen Druck von etwa 35 kg/cm2 aushält, ohne dass die Elastizitätsgrenze des Materials überschritten wird.
Es wurden früher auch Fälle von vorzeitigem Ma schinenausfall festgestellt, die auf das Durchscheuern der Isolation zwischen der Aussenfläche der Endwin- dungen 28 und der Innenfläche der Stützanordnung 45 zurückzuführen waren.
Obschon die Zerstörung der Isolation in dieser Region nicht unmittelbar einen Kurz- schluss zur Folge hat, so kann doch ein niederohmiger Kriechpfad infolge von Feuchtigkeits-und/oder Schmutz ansammlung entstehen, was eine Art Kurzschluss oder Massenschluss nach sich ziehen kann.
Es wird deshalb vorzugsweise ein ähnlicher Streifen 53 aus reibungsarmem Kunststoff auch um .die Aussen fläche der Endwindungen 28 gelegt, bevor die Stützan ordnung 45 angebracht wird. Der Streifen 53 liegt somit zwischen den überlappenden Windungen der mit Harz imprägnierten Bandage und der Aussenfläche der End windungen 28, um ein gewisses Mass an freier, praktisch abriebloser Bewegung zwischen den Endwindungen und der Oberfläche des Streifens 53 zuzulassen.
Unter den bekannten Fluorkohlenstoff-Verbindun- gen finden sich besonders geeignete, reibungsarme Kunststoffe für die Zwecke der vorliegenden Erfindung. Vor allem haben Gleitstreifen aus einer Gruppe von Materialien einschliesslich Polytetrafluoräthylen, Poly- trifluorchloräthylen oder Mischungen solcher Materia lien, wie auch hiermit behandelte andere Materialien ausgezeichnete Resultate gezeigt. Solche Fluorkohlen- stoff-Verbindungen sind unter der Bezeichnung Tef- lon (eingetragenes Warenzeichnen der E. I.
Du Pont de Nemours Company) im Handel. Eine völlig zufrieden stellende Wirkungsweise ergaben Streifen 52 und 53 aus Teflonfolie mit einer Dicke in der Grössenordnung von 0,25 bis 0,38 mm. Ausserdem ist es möglich, verschie dene andere Materialien, wie Glasgewebe, Glasfaser matte, Asbesdaservlies und dergleichen, in geeigneter Weise mit einem Schmiereigenschaften aufweisenden, reibungsarmen Kunststoff (z.
B. den vorgenannten Fluorkohlenstoff-Verbindungen) zu behandeln, um die gewünschten Oberflächeneigenschaften, insbesondere ge ringe Reibung, zu erzielen. Beispielsweise hat sich mit Teflon imprägniertes Glasgewebe als geeignet erwiesen, indem es sowohl ausgezeichneten Wiederstand gegen Durchschneiden oder Durchquetschen wie auch eine reibungsarme Oberfläche zeigt. Auch Fluorkohlenstoff- Verbindungen mit Füllstoffen vermischt, wie z. B. Ru- lon (eingetragenes Warenzeichen der Dixon Corpora tion) sind für diesen Zweck als geeignet befunden wor den.
Falls nicht ein Anstieg der Betriebstemperatur der Maschine über etwa 100 C erwartet werden muss, können auch Polyamide, bekannt unter der Bezeichnung Nylon , verwendet werden.
Obschon der Reibungskoeffizient zwischen der Oberfläche des Streifens 52 (oder 53) und der End- windungs-Isolation nicht bei einer bestimmten Maschine unter Betriebsbedingungen festgestellt wurde, ist be stimmt worden, dass der Reibungskoeffizient der Strei- fenoberfläche auf sich selbst niedriger als 0,2 sein sollte (der Reibungskoeffizient von Teflon auf Teflon beträgt z. B. etwa 0,04).
Wenn auch :die Erfindung und deren Vorgänge an hand eines fornvgewickelten Rotors für eine dynamoelek trische Maschine, insbesondere eine Gleichstromma schine, beschrieben worden sind, so lassen sich ähn liche Ergebnisse mit regellos bewickelten aktiven Teilen von Maschinen, beispielsweise auch Statoren erzielen, wobei auch Statoren oder Rotoren von Wechselstrom maschinen zu erwähnen sind.
Die beschriebenen Massnahmen der Erfindung las sen somit eine freie Bewegung zwischen den Endwindun- gen 28 zu, anstatt sie vollständig zu unterdrücken. Ent gegen allen Erwartungen und früheren Lösungsver suchen bewirkt jedoch diese Relativbewegung keinen nennenswerten Abrieb und kein vorzeitiges Durch scheuern der elektrischen Isolation.