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PATENTANSPRÜC H E
1. Mit Eisen in Eingriff tretender Nutenkeil zur Anordnung in den Zähnen von Wicklungsnuten einer dynamoelektrischen Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass der Nutenkeil (6) einen Glasfaserkern (20) aufweist, der mit einem gehärteten wärmehärtbaren Harz imprägniert ist und auf mindestens zwei Seiten (8, 21) mit einer umkleidenden Schicht bedeckt ist, die aus einer Matte aus aromatischen Polyamidfasern besteht, die mit einem gehärteten wärmehärtbaren Harz imprägniert ist.
2. Nutenkeil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Keil (6) eine interlaminare Scherfestigkeit von mehr als etwa 446 kg/cm Länge bei 1000 C hat.
3. Nutenkeil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Glasfaserkern (20) in Spiralform (32) vorliegt und dass die umkleidende Schicht (31) die mit dem Eisen in Eingriff tretenden Seiten (26, 27) des Keiles (6) bedeckt.
4. Nutenkeil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die umkleidende Schicht (31) eine einzige Schicht in nichtgewebter Form darstellt und dass das Dickenverhältnis von Glasfaserkern zu umkleidender Schicht von 10:1 bis 100:1 reicht.
5. Nutenkeil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Glasfaserkern (20) eine Dicke von 5,08 bis 12,7 mm hat und mit 40 bis 60 Gew.-% gehärtetem Epoxyharz oder gehärtetem Phenolharz imprägniert ist.
6. Nutenkeil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die umkleidende Schicht (31) eine Dicke von 0,127 bis 0,635 mm hat und mit einem gehärteten Epoxyharz oder einem gehärteten Phenolharz imprägniert ist und dass das aromatische Polyamid im wesentlichen aus einem Poly-(phenylenphthalamid) mit 95- bis 100%der Elastizität in Bezug auf Kompaktierung besteht.
7. Nutenkeil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die umkleidende Schicht (31) im wesentlichen aus einem Polyphenylenphthalamid mit einer Zugfestigkeit von mehr als 17 600 kg/cm2 besteht.
8. Nutenkeil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das aromatische Polyamid im wesentlichen aus Poly-(1,4-phenylenterephthalamid) besteht.
9. Nutenkeil nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Harzimprägnierungsmittel für den Kern ein Epoxyharz ist und dass das Harzimprägnierungsmittel für die umkleidende Schicht ein Phenolharz ist.
10. Dynamoelektrische Maschine mit einem Stator, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator zahlreiche Wicklungsnuten mit einer Vielzahl von Nutenkeilen nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausweist.
Die Erfindung betrifft Nutenkeile für dynamoelektrische Maschinen.
Nutenkeile sind Streifen aus elektrisch isolierendem Material, die dazu dienen, Leiter in den Wicklungsnuten des Stators von dynamoelektrischen Maschinen wie Generatoren und Motoren festzuhalten. Bekannte Nutenkeilstrukturen enthielten mit Phenolharz imprägnierte, flache, aus Kraftpapier bestehende Blattlaminate. Jedoch trat bei Temperaturen in der Grössenordnung von 100"C nach mehrjähriger Benutzung in grossen Generatoren und Motoren eine gewisse Schrumpfung in den Kraftpapierlaminaten auf. Ausserdem besitzen die phenolgetränkten Kraftpapierkeile schlechte interlaminare Scherungslängen und führten zu Abrieb auf den inneren oberflächlichen Kanten der Eisenstatorzähne während des Eintreibens des Keils.
Phenolhaltige Asbestnutenkeile wurden in weitem Umfange verwendet, da sie gute Stabilität und gute Schmiereigenschaften besitzen, jedoch wird in neuerer Zeit die Verwendung von Asbest als potentiell gesundheitsschädlich angesehen.
Die US-Patentschrift 3437 858 offenbart den Versuch, die Schrumpfungs- und Scherfestigkeitsprobleme dadurch zu verringern, dass ein mit Polyesterharz imprägnierter, aus parallelen Glasfasern bestehender extrudierter Nutenkeil geschaffen wird, dessen Kern niedrige Scherfestigkeit aufweist. Diese Struktur umfasst an jedem Ende eine aus Metall oder Glasfaser bestehende Röhre, Stange, Band oder Kordel, die jeweils eine sehr hohe Scherfestigkeit besass. Somit trat die höchste Scherfestigkeit an dem Teil des Keiles auf, der die innere Oberfläche des Statorzahnes berührte. Dieser Keil wurde mit einem 0,13 bis 0,76 mm dicken Band aus gewickeltem Glasfasergewebe verkleidet, das eine hohe transversale Bindungsfestigkeit lieferte, und dadurch während des Einschiebens des Keils einen höheren Einschiebpressdruck erlaubte.
Die Bandabdeckung erhöhte auch die Scherfestigkeit des Keils, da die Hälfte der Glasfasern transversal zu den Nutenkeilkernfasern lagen. Derartige Keile sind jedoch weiterhin abschleifend bezüglich der inneren Oberflächenkanten der Eisenstatorzähne, wenn der Keil eingetrieben wird.
Die US-Patentschrift 37 35 169 offenbart Mehrfachschichten aus Kaptonpolyimidfolie oder Nomex-(poly-l,3-phenyl- enisophthalamid)-polyamid, hochdichtem, faserigem Blattmaterial, das mittels Kleber zur Bildung flacher zusammengesetzter Werkstficke zusammenlaminiert ist. Diese Schichten mit aufgebrachtem Kleber wurden in eine Klemmeinrichtung gebracht und dann laminiert, um den Kleber auszuhärten. Sie bildeten dann feste Kunststoffkeile, die auch bei hoher Temperatur dimensionsmässig stabil waren und die gewünschte kanalförmige Nutenkeilkonfiguration besassen, ohne dass ein stützender Kern benutzt wurde. Eine derartige Konstruktion verlässt sich jedoch zur Erlangung von Steifigkeit auf die dünne Klebschicht und würde Keile liefern, die immer noch erhebliche Leiterverschiebung und Leitervibration erlauben würde.
Diese Art von Keil wäre für kleine Anlagen praktikabel, bei denen die Spulenkräfte etwa 180 g/cm Nutenlänge betragen würde, nicht jedoch für grosse dynamoelektrische Maschinen, bei denen die Spulenkräfte etwa 1,8 kg/cm Nutenlänge erreichen.
Benötigt wird ein starker Keil, der in der Lage ist, eine Leiterverschiebung sowie Leitervibrationen zu verhindern und Scherungsbeanspruchungen, Schrumpfung sowie Biegung, die durch den Druck des verkeilten Leiters und durch die Hitze verursacht werden, zu widerstehen. Der Keil sollte, was sehr wichtig ist, auch eine kompressible mit dem Eisen in Eingriff tretende Oberfläche von erheblicher Nachgiebigkeit und Schmierfähigkeit besitzen, so dass die inneren Oberflächenkanten der laminierten Statorzähne während des Eintreibens des Keils nicht abgeschliffen werden.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines derartigen Nutenkeils.
Die Aufgabe wird gemäss dem Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.
Die Erfindung besteht also aus einem mit dem Eisen in Eingriff tretenden Nutenkeil, der so ausgeführt ist, dass er in die Zähne von Wicklungsnuten einer dynamoelektrischen Maschine eingebracht werden kann. Der Nutenkeil ist dadurch charakterisiert, dass er aus diesem Glasfaserkern besteht, der mit einem wärmeausgehärteten Harz imprägniert ist und der auf zumindest zwei Seiten mit einer Umkleidungsschicht gedeckt ist, die aus einer Matte aus aromatischen Polyamidfasern besteht, welche mit einem wärmeausgehärteten Harz imprägniert ist. Die mit wärmeausgehärtetem Harz imprägnierte aromatische Polyamidoberfläche liefert auf zumindest den zwei Hauptberührungsseiten des Zahns aus sergewöhnlich gute Schmierfähigkeit, Nachgiebigkeit, Zugfestigkeit und thermische Stabilität.
Auch ergibt sich die Fähigkeit zur Nutung während der Keileinführung, statt dass die Kanten des Statorzahns abgerieben werden.
Das aromatische Polyamid liegt vorzugsweise in Mattenform vor, mit einer Dicke von 0,13 bis 0,64 mm und bildet eine zu 70 bis 95% poröse Matrix für das wärmeaushärtbare Harz. Die Matte ist zu 60 bis 80 Gew.-% mit einem thermisch ausgehärteten Harz imprägniert. Der Glasgewebekern besitzt eine Dicke von etwa 5,1 bis 12,7 mm und ist zu 40 bis 60 Gew.-% mit einem wärmeausgehärtetem Harz imprägniert.
Diese Kombination liefert aussergewöhnliche interlaminare Scherfestigkeiten von über 446 kg/cm bei einer Temperatur von 100"C
Die mit Harz imprägnierte aromatische Polyamidfilzmatte wird in eine geeignete Giessform angeordnet und das mit Harz imprägnierte Glasgewebe darüber angeordnet. Dann werden dampferhitzte Druckplatten verwendet, um die Harze auszuhärten und die zwei Schichten miteinander zu laminieren, ohne dass ein Kleber verwendet wird, so dass sich ein einstückiges, konsolidiertes Werkstück ergibt.
Die organische Aramidfasermatrix, die mit wärmeausgehärtetem Harz imprägniert ist, liefert eine nachgiebige Oberflächenschicht, die die inneren Oberflächenkanten des Statoreisens während des Verkeilungsvorganges schützt und die Verwendung eines Glaskernmaterials hoher Festigkeit ermöglicht, das bisher als zu abreibend sich erwiesen hat, wenn es alleine verwendet wurde. Das Wicklungsversteifungssystem gemäss der vorliegenden Erfindung steuert die Statorkräfte sowohl im eingeschwungenen Dauerbetrieb wie auch unter Kurzschlussbedingungen. Das System ist besonders nützlich für Anwendungen bei den Statoren von grossen Generatoren.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in den Zeichnungen dargestellt ist.
Es zeigt:
Fig. 1 in einer Querschnittsdarstellung eine Statorbauart für eine dynamoelektrische Maschine, wobei der Zahn einer Wicklungsnut und des darin eingeschobenen Nutenkeile gezeigt wird;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Nutenkeils, wobei Einzelheiten der Kern- und Wicklungsanordnung wiedergegeben sind;
Fig. 3A ein Verfahren zur Herstellung des Laminataufbaus für den erfindungsgemässen Nutenkeil;
Fig. 3B die in zwei Giessräumen geformten Nutenkeile; und
Fig. 4 ein Testgerät zur Ermittlung des Eisenabriebs bei dem Beispiel.
In Fig. list ein Metallteil einer dynamoelektrischen Maschine, wie ein Stator 1, dargestellt, das herkömmliche Konstruktion besitzt und aus Spulenschlitzen oder -nuten 2 besteht, die eine Spulenleiterwicklung 3 enthalten, die auch Kühlleitungen enthalten können. Jede Spule ist an der Oberseite und am Boden mittels phenolharzimprägnierten Kraftpapier oder anderen geeigneten trennenden Schichtmaterialien 4 gebunden und von einer Isolation 5 umgeben, wie dem Durchschnittsfachmann wohlbekannt. Die Isolation 5 umfasst im allgemeinen eine gegenüber Feuchtigkeit widerstandsfähige elatische Kombination aus einem wärmehärtenden Harz und Glimmerflocken. Der Nutenkeil 6 ist eine Spanneinrichtung für die Spulenwicklungen und zwischen den oberen Leiterwicklungen und dem laminierten Eisenstatorzahn 7 gemäss der Darstellung angeordnet.
Der Nutenkeil ist zwischen den Zähnen des Spulenschlitzes eingeführt und berührt die inneren Kantenflächen 8 der Statorzähne 7. Die innere Oberfläche der Zähne stellt eine Nut in dem laminierten Statoreisenbauteil dar und kann verschiedenartige Konfiguration besitzen, wie bei 8 bzw. 9 dargestellt ist.
Jeder Stator einer grossen dynamoelektrischen Maschine umfasst eine Vielzahl von Kernstanzteilen aus Siliziumstahl geringen Verlustes. Beispielsweise kann ein grosser Generatorstator einen Durchmesser von 3 m und eine Länge von 6 m aufweisen. Der Stator kann bis zu 30 getrennte Stanzteile pro 2,5 cm Länge besitzen. Jedes Laminat wird vor dem Stanzen mit einer hochtemperaturfesten anorganischen Isolierung beschichtet, wie beispielsweise mit einer natriumsilikatartigen oder einer phosphatartigen Isolierung. Das Laminat wird dann gestanzt, entgratet und erneut beschichtet.
Die gestanzten Laminate, die den Querschnitt der Statorspule aufweisen, werden dann auf Aufbaubolzen aufgestapelt und durch isoliert hindurchgeführte Bolzen und nichtmagnetische Fingerplatten fest miteinander verklemmt, um einen Statorkörper zu bilden, der Spulenschlitze und Statorzähne besitzt. Die Isolation zwischen jedem laminierten Stanzteil hilft dabei, Stromverluste bei den Betriebstemperaturen entlang der äusseren Oberfläche des Stators zu verhindern.
Wegen der Anzahl der einzelnen Laminate ist es unmöglich, die Zahnabschnitte genauer als mit einer Toleranz von +0,25 mm auszurichten. Daher werden viele der Zahnkantenlaminate hervorstehen und während der Einführung des Nutenkeils Biegung oder Scherung durch den Nutenkeil ausgesetzt sein.
Wenn die Zahnkantenlaminate gebogen oder geschwert werden, können sie einander berühren, was zu elektrischen Kurzschlüssen führt und den Zweck der Isolation zwischen den einzelnen Laminaten vereitelt. Es ist daher wichtig, dass das Äussere des Nutenkeils erhebliche Schmiereigenschaften aufweist und von einer Konstruktion ist, die ein Kratzen der Statorzahnlaminate ermöglicht, ohne dass die Laminate umgebogen werden, während gleichzeitig die strukturelle Integrität aufrechterhalten wird.
Nachdem die isolierten Leitungswicklungen und die Separatoren in den Spulennuten an Ort und Stelle geschoben sind, wird eine Vielzahl von Nutenkeilen 6 mittels eines geeigneten Antriebsmechanismus wie Block und Hammer an Ort und Stelle getrieben. Zwischen der das Eisen in Eingriff nehmenden äusseren Oberfläche des Nutenkeils und den laminierten Eisenstanzteilen des Stators tritt an den Zahnkantenkontaktpunkten 8 auf der Seite und auf dem Boden des Nutenkeils ein Reibkontakt auf. Im allgemeinen besitzt die Nutenkeilanordnung eine Länge, die gleich der des Wicklungsschlitzes ist, und besteht gewöhnlich aus einer Vielzahl von Keilen mit einer Länge von ungefähr 15 cm. Ein Stator mit einer Länge von 6 m würde also 40 Keile pro Nut oder Schlitz enthalten.
Die Nutenkeile gemäss der vorliegenden Erfindung lassen sich leicht zu verschiedenen Konfigurationen formen und sind leicht bearbeitbar.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, besitzt Nutenkeil 6 einen Glasfaserkern 20, wie beispielsweise Glasgewebe oder Glastuch.
Der Glasfaserkern kann in bearbeiteter Blattform vorliegen, vorzuziehen ist jedoch eine spiralartige, d.h. gewundene oder gewickelte Form, wie dargestellt. Ein gewickelter Kern ist besonders nützlich, da dadurch die interlaminare Scherfestigkeit des Kerns um 10 bis 20% erhöht wird. Daher kann das Äussere den Kanten 21 eines gewickelten Kern einer grösseren Auswärtskraft der in den Spulenschlitzen gehaltenen Spulen widerstehen. Der Nutenkeilkern ist mit einem wärmeausgehärteten Harz imprägniert, wie beispielsweise mit einem Phenolharz oder einem Epoxyharz, wobei beide Harze allgemein bekannt sind. Diese Harze können verschiedene bekannten Aushärtemittel, Beschleuniger und Inhibitoren enthalten.
Das in dem Kern verwendete Glastuch wird eine Dicke von etwa 0,076 bis 0,25 mm besitzen. Nach dem Übereinanderlegen oder Aufwickeln und nach dem Aushärten in der Form liefert das Glastuch einen Kern mit einer Dicke, die von 5,1 bis 12,7 mm reicht. Es wird zu 40 bis 60 Gew.-% mit einem wärmeaushärtbaren Harz getränkt, wobei die Gewichtsprozente bezogen sind auf das Gewicht von Harz plus Glastuch.
Eine Dicke von weniger als 5,1 mm und eine Harzbeladung unterhalb von 40 Gew.-% könnten zu Hohlräumen führen, die die Kernfestigkeit erheblich beeinträchtigen würden.
Der Glasfaserkern ist an zumindest zwei Seiten mit einer aus aromatischem Polyamid bestehenden Matte bedeckt, das ist eine Filzbekleidung, die eine zumindest 70%ig poröse Struktur aufweist, im allgemeinen aber eine Porosität von 70 bis 95% vor der Harzimprägnierung besitzt. Diese niedrige Dichte ermöglicht eine sehr hohe Harzbeladung innerhalb einer zähen Aramidmatrix, die aussergewöhnliche Zugfestigkeitseigenschaften besitzt. Die Abdeckung ist zumindest auf die Seitenfläche 21 des Kern integral auflaminiert und aufgebunden, die den Zähnen gegenüberliegen und das Eisen in Eingriff nehmen, während die obere Oberfläche 22 und der das Eisen in Eingriff nehmende Kantenteil der Bodenfläche bei 23 zur Erleichterung der Aufbringung ebenfalls beschichtet sind.
Dies liefert einen Nutenkeil mit einer oberen Oberfläche 24, einer zur Wicklung weisenden Bodenfläche 25, den das Eisen in Eingriff nehmenden Kanten 26, durch die die Zähne des Stators berühren werden, sowie den zwei primären, Eisen in Eingriff nehmenden Zahnberührungsseiten 27.
Diese Abdeckung muss aus einer harzimprägnierten aromatischen Polyamidmatte bestehen. Viele andere Materialien, wie aromatische Polyimide sind schwierig an der Glaskernoberfläche anzubinden. Die Abdeckung darf nicht in Folienform vorliegen, da diese Art von Abdeckung die Neigung besitzt, sich während des Verkeilens von dem Glaskern abzuscheren. Die aromatische Polyamidmatte besteht vorzugsweise aus einer einzigen Schicht in nichtgewebter Form mit einer Dicke von 0,13 bis 0,64 mm nach dem Formen. Die Matte liefert eine Matrix mit einer theoretischen Dichte von 5 bis 30 Vol.-%, d.h. mit einer Porosität von 70 bis 95%, die mit 60 bis 80 Gew.-% wärmeaushärtbarem Harz imprägniert wird, wobei die Gewichtsprozentangabe auf dem Gewicht von Harz plus Matte beruhrt.
Das wärmeaushärtbare Harz kann beispielsweise ein Phenolharz oder ein Epoxyharz sein, das eine Vielzahl von bekannten Aushärtemitteln enthalten kann, wie auch Beschleuniger und Inhibitoren.
Dicken der geformten Polyamidharzmatte unterhalb von 0,13 mm reichen nicht aus, um eine Flächenkompression zu ermöglichen und den rauhen Zahnkantenoberflächen zu erlauben, den Keil zu schneiden und zu kratzen, während der Keil eingetrieben wird. Dicken unterhalb von 0,13 mm reduzieren die Nachgiebigkeit der Stirnfläche und können zu einem Bruch oder zu einem Reissen der Matte führen, wodurch die Eisenzahnlaminate mit dem abreibenden Glastuchkern in Berührung kommen. Eine Harzbeladung unterhalb von 60 Gew.-% verschlechtern ernsthaft die Adhäsion der Abdeckung an dem Kern, da einiges von dem in der Abdeckung benutzten Harz während der Hochdrucklamination in den Kern einsickert, wobei die Hochdrucklamination die aussergewöhnliche Bindung der zwei Komponenten des Laminats ohne die Verwendung von Klebern liefert.
Weniger als 60 Gew.-% Harz würde auch die Schmiereigenschaften der Abdeckung sowie die Fähigkeit verringern, das mechanische Kratzen und Einschneiden der Zahnstanzteile aufzunehmen.
Ein vollständig aus aromatischem Polyamid bestehender Nutenkeil ist für grosse dynamoelektrische Maschinen wegen des übermässigen Kriechens und Schrumpfens bei den Betriebstemperaturen nicht geeignet. Das vorzugsweise Dikkenverhältnis von imprägnierter Glasfaserkernschicht zu imprägnierter aromatischer Polyamidstirnschicht liegt zwischen 10:1 und 100:1. Ein Verhältnis von weniger als 10:1 führt zu Schrumpfungsproblemen. Ein Verhältnis von höher als 100:1, d.h. eine sehr dünne abdeckende Schicht, würde zu möglichen Abriebproblemen führen.
Aromatische Polyamide in Form von Garn, Papier, Matte und Faser sind dem Fachmann bekannt, die aromatischen Polyamide umfassen aromatische Ringe, die durch Karbonamidkettenglieder gemäss der nachstehenden Formel verbunden sind:
EMI3.1
Derartige aromatische Nylonmaterialien besitzen einen weiten Bereich von chemischen und physikalischen Eigenschaften und weisen ausgezeichnete thermische Stabilität auf.
Sie können dadurch hergestellt werden, dass ein aromatisches Diamin mit einem aromatischen Diacidchlorid in einem wässrigen System reagiert wird. Eine vollständige Beschreibung ihrer Eigenschaften und ihrer Synthese findet sich beispielsweise in den US-Patentschriften 36 71 542 und 32 40 760. Diese Aramide werden erfindungsgemäss in der Form von Fasermatten mit hohem Molekulargewicht verwendet. Diese Fasermatten bestehen im wesentlichen aus runden Faserstücken mit einem ungefähren durchschnittlichen Durchmesser von 0,0025 bis 0,02 mm. Die Matte kann auch faserige Binderteilchen enthalten. Die Matte hat in Bezug auf Kompaktierung eine Elastizität von 90 bis 100%, d.h. dass sie Schlag- bzw. Stossbeanspruchung leicht absorbiert und ihn ihre ursprüngliche Form zurückkehrt. Eine derartige Elastizität wird selbst dann in einem hohen Ausmass erhalten, wenn die Matte mit Harz beladen wird.
Das am meisten vorzuziehende aromatische Polyamid ist ein Poly-(phenylenphthalamid) mit einer Zugfestigkeit von mehr als etwa 6300 kg/cm2 und vorzugsweise von mehr als 17 600 kg/cm2, und einem Streckmodul von über 0,14 x 106 vorzugsweise mehr als 0,7 x 106 kg/cm2. Ein Beispiel für ein Material dieser Art umfasst im wesentlichen wiederkehrende Einheiten von Poly-( 1 ,4-phenylenterephthalamid):
EMI3.2
beschrieben als Kevlar von Gan et altera in Band 19 des Journal Of Applied Polymer Science, Seiten 69-82 (1975).
Diese Zugfestigkeitseigenschaften liefern eine ausreichend gute Anpassung an das Glas in dem Kern, das eine Zugfestigkeit von ungefähr 14000 bis 28 000 kg/cm2 und einen Zugfestigkeitsmodul von etwa 0,7 x 106 kg/cm2 aufweist.
Durch enge Anpassung der Werte der zwei Komponenten der laminierten Zusammensetzung verringert sich die Gefahr der Delaminierung unter dem Druck der Spule und bei den Temperaturen, die bei grossen dynamoelektrischen Maschinen auftreten, wobei die Druckwerte von 13,5 bis 27 kg/cm Nutkeillänge und die Temperaturwerte von 75 bis 125"C reichen können. Auch braucht kein Kleber verwendet zu werden, um das Aramid und das Glas miteinander zu verbinden.
Die aromatischen Polyamide, wenn sie in poröser Mattenform vorlieben, liefern eine Matrix für das wärmeaushärtbare Harz mit einer Dichte von 5 bis 30 Vol.-%. Die imprägnierte, ausgehärtete Matte ist nachgiebig, flexibel und besitzt Schmiereigenschaften, wodurch kratzender Kontakt mit rauhen Oberflächen absorbiert wird.
Fig. 3(B) zeigt das aromatische Polyamidfilz 31, das mit Harz imprägniert ist und eine Wicklung aus imprägniertem Glasgewebe 32.
Sie sind in eine Form 35 mit zugehörigen Dampfmustern 36 angeordnet, wie in Fig. 3(A) dargestellt.
Die Erfindung sei nun anhand des folgenden Beispiels noch näher erläutert: Beispiel
Zahlreiche, mit harzimprägnierten aromatischen Polyamidglasumkleidungen versehene Nutenkeile wurden hergestellt. Ein Glasgewebestreifen des Typs Nr. 7628 mit einer Breite von 60 mm und einer Dicke von 0,25 mm wurde mit einer Acetonlösung eines Bisphenol-A-Epoxyharzes getränkt, dessen Epoxyäquivalentgewicht 450 bis 550 betrug (wird von der Firma Shell Chemical Corporation als Epon 1001 vertrieben), wurde unter Verwendung von trimellitischem Anhydrid als ein Katalysator imprägniert. Dieser imprägnierte Streifen wurde durch einen Behandlungsturm mit einer Temperatur von 140"C hindurchgeführt, um das Acetonlösungsmittel zu verdampfen.
Dadurch ergab sich ein B-stufiger nichtklebriger Streifen mit einer Harzbeladung von etwa 50 bis 55 Gew.-%, welcher Streifen auf eine Länge von 150 cm geschnitten wurde.
Ein zu 75% poröser, d.h. 25 vol.-%ig dichter Streifen aus nichtgewebter, gefilzter Matte aus hochmolekularem aromatischen Polyamid mit einem Gewicht von 237 g/m2, einer Zugfestigkeit von etwa 21 000 bis 23 000 kg/cm2 und einer ungefähr 95%igen Nachgiebigkeit (angeblich bestehend hauptsächlich aus Poly- 1 ,4-phenylenterephthalamid, kommerziell vertrieben unter der Bezeichnung Kevlar 29 von E.l.
DuPont De Nemours & Co.) mit einer Breite von 90 cm und einer Dicke von 3,18 mm wurde mit einer Methanollösung eines Phenolformaldehydharzes imprägniert. Dieser imprägnierte Streifen wurde durch einen Behandlungsturm bei etwa 140"C hindurchgeführt, um das Lösungsmittel zu verdampfen. Dies härtete das Harz in dem Streifen teilweise aus und lieferte eine trockene Vorimprägnierung, wobei etwa 70 bis 75 Gew.-% des Phenolharzes in einer 25 vol.-%igen Aramidmatrix sich befanden. Der Streifen wurde dann in Längsstücke von 150 mm zerschnitten.
Der Epoxyglasstreifen wurde zu einer 20 Schichten dicken Röhre aufgerollt und auf dem Phenol-Kevlar-Abdeckstreifen aufgelegt, wie in Fig. 3(B) der Zeichnungen dargestellt. Die Phenolglasröhre wurde flachgepresst und die Enden der Phenol-Kevlar-Streifen über der abgeflachten Röhrenoberseite herumgebogen. Es wurden keine Klebmittel verwendet. Diese Anordnung wurde in eine Form gegeben, wie in Fig. 3(A) dargestellt, und dann zwischen Heissdruckplatten bei einer Temperatur von 155 C eine halbe Stunde lang mit einem Druck von 700 kg/cm2 gepresst. Daraufhin liess man das zusammengesetzte Teil abkühlen und entfernte es, wodurch sich ein konsolidierter, gebundener, laminierter Nutenkeil ergab.
Das geformte zusammengesetzte Stück besass eine nachgiebige, schmierdende, aromatische Polyamidstirnfläche an der kurzen Stirnseite auf den zwei die Zähne berührenden Kantenseiten und auf den Kanten der Bodenseite, wie in Fig. 2 der Zeichnungen wiedergegeben. Die aromatische Polyamidabdeckung wurde bis zu einer Dicke von etwa 0,38 mm komprimiert und die aromatische Polyamidmatrix mit etwa 70 Gew.-% Harz geladen. Der Glastuchkern war etwa 9 mm dick und mit etwa 50 Gew.-% Harz geladen. Es ergab sich eine ausgezeichnete Bindung zwischen den beiden klebemittelfreien Schichten.
Es wurden Versuche an dieser Zusammensetzung unternommen, um die Festigkeit und Stabilität zu untersuchen.
Der Keil wurde mit der Stirnfläche nach unten in einer hohlen Stahltestanordnung angeordnet, welche eine simulierte Statoroberfläche besass. Hier ruhten die abgeschrägten Seitenkanten auf Stahl in der Anordnung und ein Stahldruckstab, der den Leiterwicklungsdruck in einem Stator simulierte, wurde gegen den Spulenstützrücken des Nutenkeiles gepresst. Eine 30tonnige Amsler-Universal-Testmaschine wurde in Verbindung mit einer Baldwin-Mikroformereinheit verwendet, um die Auslenkung zu messen. Die Testanordnung wurde in einem Ofen betrieben, wobei ein Thermometer an der Probe angebracht war. Die interlaminare Keilscherfestigkeit bei 100"C ergab sich zu 626 kg/cm Nutenkeillänge.
Dies liegt mehr als 230% oberhalb der üblichen Pressung von 13,4 bis 26,8 kg/cm Spulenlänge, die in den meisten grossen dynamoelektrischen Maschinen auftritt, wie auch weit oberhalb des Wertes von 268 kg/cm pro Länge, welcher Wert typisch für Nutenkeile aus phenolharzimprägnierten Kraftpapierlagen ist.
Ein ähnlicher Nutenkeil wurde bei 100 C und einem Druck von 10,5 kg/cm2 48 Stunden lang untersucht. Dieser Test simulierte die tatsächlichen Betriebsbedingungen einer dynamoelektrischen Maschine. Die prozentuale Dickenschrumpfung sowie die prozentuale Verbiegung des Nutenkeils nach seiner Entfernung war nicht messbar. Dies stellt eine dramatische Verbesserung gegenüber der 2- bis 4%igen Schrumpfung von Nutenkeilen aus mit Phenolharz imprägnierten Kraftpapierlagen dar, sowie der 5%igen Schrumpfung von vollständig aus Kevlar bestehenden Keilen, die mit Phenolharz imprägniert sind. Die beoachtete Schrumpfung von Kevlar macht die Verwendung in Verbindung mit einem Glaskern notwendig, damit dieser Keil bei grossen dynamoelektrischen Maschinen verwendbar wird.
Abriebuntersuchungen wurden dann durchgeführt, wobei ein bearbeiteter, massiver Aramidnutenkeil sowie eine Testapparatur verwendet wurde, die in der Fig. 4 der Zeichnungen dargestellt ist. Die Testanordnung 40 umfasste einen 127 mm langen Stapel aus laminierten Stanzblechen, wobei jedes von dem anderen durch eine phosphatartige Isolation isoliert war. Es gab 30 Stanzbleche pro 2,5 cm Länge der Messanordnung. Der Nutenkeil bestand aus mit Phenolharz imprägnierten Schichten aus aromatischem Polyamid-Kevlar. Der geformte Block war etwa 1 mm dick und 190 mm lang und lieferte eine 25 vol.-%ige aromatische Polyamidmatrix, die mit etwa 75 Gew.-% Phenolharz geladen war. Die Farbe des Keiles war ein fahles Gelb. Der Block wurde bis zu einer Länge von 24,8 mm + 0,38 mm mit einem Radius von 0,79 mm an seinen Enden bearbeitet, wie bei 40 in Fig. 4 dargestellt.
Ein ähnlicher Keil wurde von einem 1 mm dicken geformten Block aus mit Epoxyharz imprägniertem Glastuch gearbeitet.
Beide Keile wurden zu genau passenden Dimessionen bearbeitet. Die Entfernung zwischen dem tiefesten Teil 41 der Zähne 42 der Anordnung betrug 2,5 cm. Bolzen 43 hielten die laminierten Stanzteile der Testanordnung zusammen, wie bei 44 dargestellt.
Der Abriebtest bestand aus einer kurzen, mechanischen Schub/Zug-Bewegung, wobei zwischen dem Keil und dem Eisen eine Kraft von 10,5 kg/cm2 angewendet wurde, welche jeden Keil durch die Stanzteile hindurchbewegte. Es wurden neue Stanzbleche für jede Testanordnung verwendet. Die Untersuchungen wurden bei einer Temperatur von 250C durchgeführt. Dieser Test simulierte sehr eng Bedingungen bei dem tatsächlichen Einführen der Keile in Generatorstatoren. Sowohl der phenolgetränkte aromatische Polyamidkeil wie auch der epoxygetränkte Glastuchkeil wurden durch die Testanordnungen hindurchbewegt, wobei das Eisen über 1000 Zyklen in Eingriff genommen wurde. Es wurden Eisenablagerungen auf den berührenden Oberflächen des aus epoxygetränktem Glastuch bestehenden Keiles gefunden.
Der mit Phenol getränkte aromatische Polyamidkeil schien weniger Einfluss auf die Blechschnitte zu haben und wies keinerlei nennenswerte Eisenablagerungen auf den berührenden Oberflächen auf. Der Keil aus phenolgetränktem aromatischen Polyamid zeigte viel stärkere Abnutzung. Mikroskopbilder, die von den Blechschnitten einer jeden Testanordnung mittels eines Abtastelektronenmikroskops hergestellt wurden, wur den untersucht und die Stanzkanten im Kontakt mit dem phenolgetränkten aromatischen Polyamid zeigten viel geringere Abnutzung als die Stanzkanten, die sich im Kontakt mit dem Keil aus epoxygetränktem Glastuch befanden. Wasserabsorptionsteste wurden gemäss dem US-Standard ASTM D-570 durchgeführt, bei welchem Test Proben 24 Stunden lang in Wasser mit einer Temperatur von 25 "C eingetaucht werden.
Es ergaben sich die sehr guten Werte von 1,10/o Wasserabsorption, bezogen auf das Gewicht für den phenolgetränkten, aromatischen Polyamid und epoxygetränkten Glastuchkeil.
Die Nutenkeile aus mit phenolgetränktem aromatischen Polyamid umkleideten epoxygetränkten Glastuch, die gemäss der obigen Beschreibung hergestellt wurden, wurden in Längen von etwa 15 cm getestet, und zwar als Statorwicklungskeilsystem in den Schlitzen eines Stators eines grossen zweipoligen Dampfturbinengenerators von 20 kV und 669 MW, wobei sich ausserordentlich gute Resultate ergaben. Die Nutenkeile liessen sich leicht in den Nuten eintreiben, besghädigten nicht die Eisenkantenlaminierungen, die sie berührten, wodurch die magnetische Integrität der Statorkernanordnung sichergestellt wurde. Die Nutenkeile hielten auch den Radialdruck auf die Wicklungen aufrecht und hielten die gepressten Wicklungen eng an Ort und Stelle, um so eine Vibration zu verhindern.
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PATENT CLAIMS
1. An iron-engaging slot wedge for arrangement in the teeth of winding slots of a dynamoelectric machine, characterized in that the slot wedge (6) has a glass fiber core (20) which is impregnated with a hardened thermosetting resin and on at least two sides (8 , 21) is covered with a covering layer, which consists of a mat of aromatic polyamide fibers, which is impregnated with a hardened thermosetting resin.
2. groove wedge according to claim 1, characterized in that the wedge (6) has an interlaminar shear strength of more than about 446 kg / cm length at 1000 C.
3. Groove wedge according to claim 1 or 2, characterized in that the glass fiber core (20) is in spiral form (32) and that the covering layer (31) engages with the iron engaging sides (26, 27) of the wedge (6) covered.
4. Groove wedge according to claim 1 or 2, characterized in that the covering layer (31) is a single layer in non-woven form and that the thickness ratio of the glass fiber core to the covering layer ranges from 10: 1 to 100: 1.
5. Groove wedge according to one of claims 1 to 4, characterized in that the glass fiber core (20) has a thickness of 5.08 to 12.7 mm and is impregnated with 40 to 60 wt .-% hardened epoxy resin or hardened phenolic resin.
6. wedge according to one of claims 1 to 5, characterized in that the covering layer (31) has a thickness of 0.127 to 0.635 mm and is impregnated with a hardened epoxy resin or a hardened phenolic resin and that the aromatic polyamide consists essentially of a poly - (phenylene phthalamide) with 95 to 100% of the elasticity in terms of compacting.
7. keyway according to claim 6, characterized in that the covering layer (31) consists essentially of a polyphenylene phthalamide with a tensile strength of more than 17 600 kg / cm2.
8. groove wedge according to claim 6 or 7, characterized in that the aromatic polyamide consists essentially of poly (1,4-phenylene terephthalamide).
9. wedge wedge according to one of claims 5 to 8, characterized in that the resin impregnating agent for the core is an epoxy resin and that the resin impregnating agent for the covering layer is a phenolic resin.
10. Dynamoelectric machine with a stator, characterized in that the stator has numerous winding slots with a plurality of slot wedges according to one of claims 1 to 9.
The invention relates to slot wedges for dynamoelectric machines.
Slot wedges are strips of electrically insulating material that are used to hold conductors in the winding slots of the stator of dynamoelectric machines such as generators and motors. Known slot wedge structures contained flat sheet laminates made of kraft paper impregnated with phenolic resin. However, at temperatures in the order of 100 "C after some years of use in large generators and motors, there was a certain shrinkage in the kraft paper laminates. In addition, the phenol-impregnated kraft paper wedges have poor interlaminar shear lengths and lead to abrasion on the inner surface edges of the iron stator teeth during the driving of the Wedges.
Phenolic asbestos wedges have been widely used because they have good stability and good lubricating properties, but more recently the use of asbestos has been considered to be potentially harmful to health.
U.S. Patent No. 3,437,858 discloses an attempt to reduce shrinkage and shear strength problems by creating an extruded groove wedge impregnated with polyester resin and made of parallel glass fibers, the core of which has low shear strength. This structure includes at each end a tube, rod, ribbon or cord made of metal or glass fiber, each of which has a very high shear strength. Thus, the highest shear strength occurred on the part of the wedge that touched the inner surface of the stator tooth. This wedge was covered with a 0.13 to 0.76 mm thick band of wound glass fiber fabric, which provided a high transverse bond strength and thereby allowed a higher insertion pressure during the insertion of the wedge.
The tape cover also increased the shear strength of the wedge because half of the glass fibers were transverse to the slot wedge core fibers. However, such wedges are still abrasive to the inner surface edges of the iron stator teeth when the wedge is driven.
US Pat. No. 3,735,169 discloses multilayers of Kapton polyimide film or Nomex- (poly-1,3-phenyl-enisophthalamide) -polyamide, a high-density, fibrous sheet material which is laminated together by means of adhesive to form flat composite work pieces. These layers of applied adhesive were placed in a clamp and then laminated to cure the adhesive. They then formed solid plastic wedges that were dimensionally stable even at high temperatures and had the desired channel-shaped slot wedge configuration without the use of a supporting core. However, such a construction relies on the thin adhesive layer to provide rigidity and would provide wedges that would still allow significant conductor displacement and vibration.
This type of wedge would be practical for small systems where the coil forces would be about 180 g / cm slot length, but not for large dynamo-electric machines where the coil forces would reach about 1.8 kg / cm slot length.
What is needed is a strong wedge that is able to prevent conductor displacement and vibration, and to withstand shear stress, shrinkage, and bending caused by the pressure of the key and the heat. The wedge, which is very important, should also have a compressible iron-engaging surface of considerable compliance and lubricity so that the inner surface edges of the laminated stator teeth are not abraded as the wedge is driven in.
The object of the invention is to provide such a key.
The task is solved according to the features of the main claim.
The invention therefore consists of a slot wedge engaging the iron, which is designed such that it can be inserted into the teeth of winding slots of a dynamoelectric machine. The wedge is characterized by the fact that it consists of this glass fiber core, which is impregnated with a thermoset resin and which is covered on at least two sides with a covering layer, which consists of a mat made of aromatic polyamide fibers, which is impregnated with a thermoset resin. The aromatic polyamide surface impregnated with thermoset resin provides exceptionally good lubricity, resilience, tensile strength and thermal stability on at least the two main contact sides of the tooth.
The ability to be grooved during wedge insertion also arises instead of the edges of the stator tooth being rubbed off.
The aromatic polyamide is preferably in a mat form with a thickness of 0.13 to 0.64 mm and forms a 70 to 95% porous matrix for the thermosetting resin. 60 to 80% by weight of the mat is impregnated with a thermally hardened resin. The glass fabric core has a thickness of about 5.1 to 12.7 mm and is 40 to 60% by weight impregnated with a thermoset resin.
This combination provides exceptional interlaminar shear strengths of over 446 kg / cm at a temperature of 100 "C
The aromatic polyamide felt mat impregnated with resin is placed in a suitable casting mold and the glass fabric impregnated with resin is placed over it. Steam heated printing plates are then used to cure the resins and laminate the two layers together without the use of an adhesive, resulting in a one piece, consolidated workpiece.
The organic aramid fiber matrix, impregnated with thermoset resin, provides a resilient surface layer that protects the inner surface edges of the stator iron during the keying process and enables the use of a high strength glass core material that has previously proven to be too abrasive when used alone. The winding stiffening system according to the present invention controls the stator forces both during steady-state operation and under short-circuit conditions. The system is particularly useful for applications in the stators of large generators.
The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment which is illustrated in the drawings.
It shows:
1 shows a cross-sectional illustration of a stator type for a dynamoelectric machine, the tooth of a winding slot and the slot wedge inserted therein being shown;
2 shows a cross-sectional view of an embodiment of the slot wedge according to the invention, details of the core and winding arrangement being shown;
3A shows a method for producing the laminate structure for the slot wedge according to the invention;
3B shows the groove wedges formed in two casting rooms; and
Fig. 4 shows a test device for determining the iron abrasion in the example.
FIG. 1 shows a metal part of a dynamoelectric machine, such as a stator 1, which has a conventional construction and consists of coil slots or slots 2 which contain a coil conductor winding 3, which can also contain cooling lines. Each coil is bonded to the top and bottom by means of phenolic resin impregnated kraft paper or other suitable separating layer materials 4 and surrounded by insulation 5, as is well known to those of ordinary skill in the art. The insulation 5 generally comprises a moisture-resistant, elastic combination of a thermosetting resin and mica flakes. The slot wedge 6 is a tensioning device for the coil windings and is arranged between the upper conductor windings and the laminated iron stator tooth 7 as shown.
The wedge key is inserted between the teeth of the coil slot and contacts the inner edge surfaces 8 of the stator teeth 7. The inner surface of the teeth is a groove in the laminated stator iron component and can have various configurations, as shown at 8 and 9 respectively.
Each stator of a large dynamo-electric machine comprises a large number of core stampings made of low-loss silicon steel. For example, a large generator stator can have a diameter of 3 m and a length of 6 m. The stator can have up to 30 separate stamped parts per 2.5 cm in length. Before being punched, each laminate is coated with a high-temperature-resistant inorganic insulation, such as, for example, sodium silicate-like or phosphate-like insulation. The laminate is then punched, deburred and coated again.
The punched laminates, which have the cross section of the stator coil, are then stacked on mounting bolts and firmly clamped together by bolts and non-magnetic finger plates which are passed through in an insulated manner to form a stator body which has coil slots and stator teeth. The insulation between each laminated stamped part helps prevent power loss at the operating temperatures along the outer surface of the stator.
Due to the number of individual laminates, it is impossible to align the tooth sections more precisely than with a tolerance of +0.25 mm. As a result, many of the tooth edge laminates will protrude and be subject to bending or shear through the slot wedge as the slot wedge is inserted.
When the tooth edge laminates are bent or sworded, they can touch each other, resulting in electrical short circuits and thwarting the purpose of insulation between the individual laminates. It is therefore important that the exterior of the keyway has significant lubricating properties and is of a design that allows the stator tooth laminates to be scratched without bending the laminates while maintaining structural integrity.
After the insulated line windings and the separators are pushed into place in the coil slots, a plurality of slot wedges 6 are driven in place using a suitable drive mechanism such as a block and hammer. Frictional contact occurs between the outer surface of the keyway engaging the iron and the laminated iron stamped parts of the stator at the tooth edge contact points 8 on the side and on the bottom of the keyway. In general, the slot wedge assembly has a length equal to that of the winding slot and usually consists of a plurality of wedges approximately 15 cm in length. A stator with a length of 6 m would therefore contain 40 wedges per slot or slot.
The keyways according to the present invention can be easily shaped into various configurations and are easy to machine.
As can be seen from FIG. 2, key wedge 6 has a glass fiber core 20, such as glass fabric or glass cloth.
The glass fiber core may be in a machined sheet form, but a spiral, i.e. convoluted or coiled shape as shown. A wound core is particularly useful because it increases the core's interlaminar shear strength by 10 to 20%. Therefore, the outer edge 21 of a wound core can withstand a larger outward force of the coils held in the coil slots. The spline core is impregnated with a thermoset resin, such as a phenolic resin or an epoxy resin, both of which are well known. These resins can contain various known curing agents, accelerators and inhibitors.
The glass cloth used in the core will have a thickness of about 0.076 to 0.25 mm. After stacking or winding and after curing in the mold, the glass cloth provides a core with a thickness ranging from 5.1 to 12.7 mm. 40 to 60% by weight is impregnated with a thermosetting resin, the weight percentages being based on the weight of resin plus glass cloth.
A thickness of less than 5.1 mm and a resin loading below 40% by weight could result in voids that would significantly affect core strength.
The glass fiber core is covered on at least two sides with a mat made of aromatic polyamide, which is a felt clothing that has an at least 70% porous structure, but generally has a porosity of 70 to 95% before resin impregnation. This low density enables a very high resin load within a tough aramid matrix that has exceptional tensile properties. The cover is integrally laminated and bonded to at least the side surface 21 of the core that opposes the teeth and engages the iron, while the top surface 22 and the iron engaging edge portion of the bottom surface at 23 are also coated for ease of application .
This provides a keyway with an upper surface 24, a winding bottom surface 25, the iron engaging edges 26 through which the stator teeth will contact, and the two primary iron engaging tooth contact sides 27.
This cover must consist of a resin-impregnated aromatic polyamide mat. Many other materials, such as aromatic polyimides, are difficult to attach to the surface of the glass core. The cover must not be in foil form, as this type of cover tends to shear off the glass core during wedging. The aromatic polyamide mat preferably consists of a single layer in non-woven form with a thickness of 0.13 to 0.64 mm after molding. The mat provides a matrix with a theoretical density of 5 to 30 vol%, i.e. with a porosity of 70 to 95% which is impregnated with 60 to 80% by weight of thermosetting resin, the percentage by weight being based on the weight of resin plus mat.
The thermosetting resin can be, for example, a phenolic resin or an epoxy resin, which can contain a variety of known curing agents, as well as accelerators and inhibitors.
Thicknesses of the molded polyamide resin mat below 0.13 mm are not sufficient to allow surface compression and to allow the rough tooth edge surfaces to cut and scratch the wedge as the wedge is driven in. Thicknesses below 0.13 mm reduce the flexibility of the end face and can cause the mat to break or tear, causing the iron tooth laminates to come into contact with the abrasive glass cloth core. Resin loading below 60% by weight severely degrades the adhesion of the cover to the core because some of the resin used in the cover seeps into the core during high pressure lamination, the high pressure lamination causing the exceptional bonding of the two components of the laminate without use of glue supplies.
Less than 60% by weight resin would also reduce the lubricating properties of the cover and the ability to absorb the mechanical scratching and cutting of the toothed parts.
A wedge wedge made entirely of aromatic polyamide is not suitable for large dynamoelectric machines because of the excessive creep and shrinkage at the operating temperatures. The preferred thickness ratio of impregnated glass fiber core layer to impregnated aromatic polyamide face layer is between 10: 1 and 100: 1. A ratio of less than 10: 1 leads to shrinkage problems. A ratio greater than 100: 1, i.e. a very thin covering layer would lead to possible abrasion problems.
Aromatic polyamides in the form of yarn, paper, mat and fiber are known to the person skilled in the art, the aromatic polyamides comprise aromatic rings which are connected by carbonamide chain links according to the following formula:
EMI3.1
Such aromatic nylon materials have a wide range of chemical and physical properties and have excellent thermal stability.
They can be made by reacting an aromatic diamine with an aromatic diacid chloride in an aqueous system. A complete description of their properties and their synthesis can be found, for example, in US Pat. Nos. 36 71 542 and 32 40 760. According to the invention, these aramids are used in the form of high molecular weight fiber mats. These fiber mats essentially consist of round fiber pieces with an approximate average diameter of 0.0025 to 0.02 mm. The mat can also contain fibrous binder particles. The mat has an elasticity of 90 to 100% in terms of compacting, i.e. that it easily absorbs shock or impact stress and returns to its original shape. Such elasticity is maintained to a high degree even when the mat is loaded with resin.
The most preferred aromatic polyamide is a poly (phenylene phthalamide) with a tensile strength of more than about 6300 kg / cm2 and preferably more than 17 600 kg / cm2, and a tensile modulus of more than 0.14 x 106, preferably more than 0, 7 x 106 kg / cm2. An example of a material of this type essentially comprises repeating units of poly- (1,4-phenylene terephthalamide):
EMI3.2
described as Kevlar by Gan et altera in volume 19 of the Journal Of Applied Polymer Science, pages 69-82 (1975).
These tensile properties provide a sufficiently good match to the glass in the core, which has a tensile strength of approximately 14,000 to 28,000 kg / cm2 and a tensile modulus of approximately 0.7 x 106 kg / cm2.
By closely adjusting the values of the two components of the laminated composition, the risk of delamination under the pressure of the coil and at the temperatures that occur in large dynamoelectric machines is reduced, with the pressure values from 13.5 to 27 kg / cm groove length and the temperature values can range from 75 to 125 "C. There is also no need to use glue to bond the aramid and glass together.
The aromatic polyamides, if preferred in a porous mat form, provide a matrix for the thermosetting resin with a density of 5 to 30% by volume. The impregnated, hardened mat is flexible, flexible and has lubricating properties, which absorbs scratching contact with rough surfaces.
3 (B) shows the aromatic polyamide felt 31 impregnated with resin and a winding made of impregnated glass fabric 32.
They are arranged in a mold 35 with associated steam patterns 36, as shown in Fig. 3 (A).
The invention will now be explained in more detail with reference to the following example: Example
Numerous groove wedges were made with resin-impregnated aromatic polyamide glass claddings. A No. 7628 glass fabric strip, 60 mm wide and 0.25 mm thick, was impregnated with an acetone solution of a bisphenol A epoxy resin, the epoxy equivalent weight of which was 450 to 550 (available from Shell Chemical Corporation as Epon 1001 sold) was impregnated using trimellitic anhydride as a catalyst. This impregnated strip was passed through a treatment tower at a temperature of 140 ° C to evaporate the acetone solvent.
This resulted in a B-stage non-sticky strip with a resin loading of about 50 to 55% by weight, which strip was cut to a length of 150 cm.
A 75% porous, i.e. 25 vol .-% tight strip of non-woven, felted mat made of high molecular weight aromatic polyamide with a weight of 237 g / m2, a tensile strength of about 21,000 to 23,000 kg / cm2 and an approximately 95% flexibility (supposedly consisting mainly of Poly-1,4-phenylene terephthalamide, commercially available under the name Kevlar 29 from El
DuPont De Nemours & Co.) with a width of 90 cm and a thickness of 3.18 mm was impregnated with a methanol solution of a phenol formaldehyde resin. This impregnated strip was passed through a treatment tower at about 140 ° C to evaporate the solvent. This partially cured the resin in the strip and provided a dry pre-impregnation, with about 70 to 75% by weight of the phenolic resin in a 25 vol % aramid matrix, and the strip was then cut into 150 mm long pieces.
The epoxy glass strip was rolled up into a 20 layer tube and placed on the phenol-kevlar cover strip as shown in Fig. 3 (B) of the drawings. The phenolic glass tube was pressed flat and the ends of the phenol-kevlar strips were bent over the flattened tube top. No adhesives were used. This assembly was put in a mold as shown in Fig. 3 (A), and then pressed between hot pressure plates at a temperature of 155 C for half an hour at a pressure of 700 kg / cm 2. The assembled part was then allowed to cool and removed, resulting in a consolidated, bonded, laminated groove wedge.
The molded composite piece had a resilient, lubricating, aromatic polyamide face on the short face on the two edge edges touching the teeth and on the edges of the bottom face as shown in Figure 2 of the drawings. The aromatic polyamide cover was compressed to a thickness of about 0.38 mm and the aromatic polyamide matrix was loaded with about 70% by weight of resin. The glass cloth core was about 9 mm thick and loaded with about 50% by weight resin. There was an excellent bond between the two adhesive-free layers.
Attempts have been made to this composition to test strength and stability.
The wedge was placed face down in a hollow steel test assembly that had a simulated stator surface. Here the bevelled side edges rested on steel in the arrangement and a steel pressure rod, which simulated the conductor winding pressure in a stator, was pressed against the spool support back of the slot wedge. A 30-ton Amsler universal test machine was used in conjunction with a Baldwin microforming unit to measure the deflection. The test assembly was operated in an oven with a thermometer attached to the sample. The interlaminar wedge shear strength at 100 "C resulted in 626 kg / cm slot length.
This is more than 230% above the usual compression of 13.4 to 26.8 kg / cm coil length, which occurs in most large dynamoelectric machines, as well as far above the value of 268 kg / cm per length, which value is typical for Groove wedges made of phenolic resin-impregnated kraft paper layers.
A similar wedge was examined at 100 C and a pressure of 10.5 kg / cm2 for 48 hours. This test simulated the actual operating conditions of a dynamoelectric machine. The percentage thickness shrinkage and the percentage deflection of the slot wedge after its removal could not be measured. This represents a dramatic improvement over the 2 to 4% shrinkage of flute wedges made from phenolic resin impregnated kraft paper layers and the 5% shrinkage of wedges made entirely of Kevlar impregnated with phenolic resin. The observed shrinkage of Kevlar makes it necessary to use it in conjunction with a glass core so that this wedge can be used with large dynamoelectric machines.
Abrasion tests were then carried out using a machined, solid aramid wedge as well as a test apparatus shown in Figure 4 of the drawings. Test assembly 40 comprised a 127 mm stack of laminated stamped sheets, each isolated from the other by a phosphate-type insulation. There were 30 punch plates per 2.5 cm length of the measurement arrangement. The groove wedge consisted of layers of aromatic polyamide Kevlar impregnated with phenolic resin. The molded block was about 1 mm thick and 190 mm long and provided a 25 vol% aromatic polyamide matrix loaded with about 75 wt% phenolic resin. The color of the wedge was a pale yellow. The block was machined to a length of 24.8 mm + 0.38 mm with a radius of 0.79 mm at its ends, as shown at 40 in FIG. 4.
A similar wedge was worked from a 1 mm thick molded block of epoxy resin impregnated glass cloth.
Both wedges have been machined to exactly match the dimensions. The distance between the deepest part 41 of the teeth 42 of the assembly was 2.5 cm. Bolts 43 held the laminated die parts of the test assembly together as shown at 44.
The abrasion test consisted of a short mechanical push / pull movement, whereby a force of 10.5 kg / cm 2 was applied between the wedge and the iron, which moved each wedge through the stamped parts. New stamping sheets were used for each test arrangement. The tests were carried out at a temperature of 250C. This test very closely simulated conditions when the wedges were actually inserted into generator stators. Both the phenol-soaked aromatic polyamide wedge and the epoxy-soaked glass cloth wedge were moved through the test assemblies, engaging the iron over 1000 cycles. Iron deposits were found on the contacting surfaces of the wedge made of epoxy-impregnated glass cloth.
The aromatic polyamide wedge soaked in phenol appeared to have less influence on the sheet metal cuts and showed no appreciable iron deposits on the contacting surfaces. The phenolic-soaked aromatic polyamide wedge showed much more wear. Microscope images taken from the sheet metal sections of each test assembly using a scanning electron microscope were examined and the die cut edges in contact with the phenol-soaked aromatic polyamide showed much less wear than the die cut edges in contact with the epoxy-soaked glass cloth wedge. Water absorption tests were performed according to the US standard ASTM D-570, in which test samples are immersed in water at a temperature of 25 ° C. for 24 hours.
The very good values of 1.10 / o water absorption were obtained, based on the weight for the phenol-soaked, aromatic polyamide and epoxy-soaked glass cloth wedge.
The slot wedges made of epoxy-impregnated glass cloth coated with phenol-impregnated aromatic polyamide, which were produced as described above, were tested in lengths of approximately 15 cm, namely as a stator winding wedge system in the slots of a stator of a large two-pole steam turbine generator of 20 kV and 669 MW, whereby extraordinarily good results. The slot wedges were easy to drive into the slots and did not harm the iron edge laminations they touched, thereby ensuring the magnetic integrity of the stator core assembly. The slot wedges also maintained the radial pressure on the windings and kept the pressed windings tight in place to prevent vibration.