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Isolierte Spule für den Einbau in die Nuten einer elektrischen Maschine
Die Erfindung bezieht sich auf isolierte Spulen für den Einbau in die Nuten elektrischer
Maschinen und im Einzelnen auf eine formgewickelte Spule, welche eine hohe dielektrische
Festigkeit besitzt und in welcher die Dicke der notwendigen Isolation gegenüber
den bisher bekannten Spulen wesentlich herabgestzt werden kann, so daß ein größerer
Teil des Spulenquerschnitts für die Leiter zur Verfügung steht.
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Bei der Konstruktion von formgewickelten Spulen für den Einbau in
die Ankernuten von elektrischen Maschinen ist es bisher üblich gewesen, die einzelnen
Spulenwindungen zur Isolation voneinander mit Isoliermaterial zu umgeben und die
ganze Spule, die aus mehreren solcher Windungen besteht, ihrerseits wieder zu isolieren,
um sie gegen Erdschlüsse und gegen Koronaentladungen zum Anker zu schützen. Diese
Isolation der ganzen Spule bestand in den meisten Fällen aus mehreren Schichten
von mit Lack imprägniertem Band, und es war dabei notwendig, die Isolation dieser
ganzen Spule wesentlich dicker zu halten als es nach der dielektrischen Festigkeit
des imprägnierten Bandes erforderlich gewesen wäre, da nämlich bei der Aufbringung
dieser Isolation gewisse Hohlräume entstanden. Ferner konnte die Spulenisolation
beim Einbau der Spule in die Ankernuten durch einen hohen, örtlich auftretenden
Druck beschädigt werden, so daß auch aus diesem Grunde eine größere Isolationsdicke
notwendig war. Schließlich mußte auch auf die Möglichkeit einer Beschädigung der
Spulenisolation nach dem Einbau der Spule durch betriebsmäßig auftretende Kräfte,
beispielsweise infolge hoher Anlaufströme, Rücksicht genommen werden. Um die nötige
Sicherheit zu schaffen, mußte bisher mehr als die Hälfte des Nutenqerschnittes der
Isolation vorbehalten bleiben. Abgesehen von dem nachteiligen Einfluß auf den Wirkungsgrad
und die Verluste der Maschine vermindert eine so dicke Isolationsschicht auch die
Wärmeübertragung zwischen den Spulenwindungen und dem Ankereisen.
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Die Erfindung hat den Zweck, eine Lösung der obengenannten Probleme
dadurch zu schaffen, daß eine sehr widerstandsfähige Spulenisolation angegeben wird,
deren dielektrische Festigkeit nahezu so hoch ist wie diejenige des zur Herstellung
einer solchen Isolation verwendeten Isoliermaterials. Außerdem soll eine Spule geschaffen
werden, die praktisch ohne Lufteinschlüsse in ihrer Isolierung ist. Ferner bezweckt
die Erfindung, eine Anordnung anzugeben, bei welcher eine Schrumpfung der Isolation
nach ihrer Aufbringung ausgenutzt wird, um über eine starke Zugbeanspruchung des
Isoliermaterials etwaige bei der Aufbringung entstandene Hohlräume praktisch zum
Verschwinden zu bringen. Fig.1 zeigt einen Teil des Stators einer elektrischen Maschine
mit den Spulen gemäß der Erfindung; Fig. 2 ist eine vergrößerte Darstellung eines
Teiles einer Spule gemäß der Erfindung; Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit der Zugfestigkeit
von der Temperatur für ein gemäß der Erfindung zu verwendendes Isoliermaterial.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Spule, die aus
einer einzigen Windung oder auch aus mehreren nebeneinanderliegenden und gegeneinander
isolierten Leitern bestehen kann, mit einem homogenen, nicht mit einem Gewebe od.
dgl. armierten oder unterlegten Film von hoher Zugfestigkeit, der bei höherer Temperatur
stark schrumpft, versehen. Auf dem Teil der Spule, der in eine Nut einer elektrischen
Maschine eingebaut werden soll, werden mehrere Lagen dieses Films dicht aufgewickelt.
Über diese Isolation wird eine poröse Decke, beispielsweise aus einem gewebten Band,
angebracht und sodann eine dicke Lackschicht, um die ganze Spule gegen Feuchtigkeit
zu schützen. Der Lack tritt dabei in die Zwischenräume zwischen den Längsfäden und
Querfäden des Gewebes ein und haftet somit fest an der Spule, so daß er sich auch
beim Auftreten von Biegekräften nicht abschälen kann. Durch Wärmeanwendung wird
eine Schrumpfung des Films hervorgerufen, und seine hohe Zugfestigkeit bewirkt dann
eine feste Anpressung an den Spulenkörper, so daß etwaige bei der Aufbringung des
Films entstandene Hohlräume praktisch verschwinden. Es ist notwendig, daß die äußere
poröse Bewicklung mindestens eine
gleich große oder größere Schrumpfung
wie der Film aufweist, so daß diese Bewicklung ebenfalls einen Druck auf die Barunterliegenden
Filmschichten ausübt und so die Bildung von Hohlräumen zwischen ihnen verhindert
wird.
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Fig. 1 zeigt einen Teil eines bewickelten Stators 10 einer elektrischen
Maschine mit den Nuten 11, in denen die isolierte Spule 12 liegt. Jede Spule 12
besitzt einen geradlinig verlaufenden Teil 12a, der in einer Nut 11 liegt. Dieser
Teil 12a ist gemäß der Erfindung isoliert und besitzt eine größere Länge als die
Nuten selbst, so daß die Isolation bis über die Enden der Nuten hinausreicht, um
eine größere Sicherheit gegen einen Erdschluß der Spule und gegen Koronaentladungen
zum Eisen hin zu bilden. Die Wickelköpfe 12 b der Spule können entsprechend den
Anforderungen im Betrieb der Maschine in beliebiger geeigneter Weise isoliert werden.
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Fig. 2 zeigt einen Teil der Spule 12 mit mehreren nebeneinanderliegenden
Leiterwindungen 13. Eine solche Spule kann jedoch auch aus einer einzigen Leiterwindung
bestehen. Die Leiter 13 sind gegeneinander beispielsweise durch einen Emailleüberzug
14 isoliert und sind so geformt, daß sie sich zu einem kompakten Körper zusammenfügen
lassen, bevor die weitere Isolation auf ihnen aufgebracht wird.
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Der Teil 12a wird mit mehreren Lagen 15 eines nicht armierten oder
unterlegten Films umhüllt, der sowohl in Querrichtung als auch in Längsrichtung
durch entsprechende Vorbehandlung »orientiert« (Umlagerung des kristallinen Strukturgefüges
des Kunststoffes) ist und der eine hohe Zugfestigkeit bei erhöhter Temperatur besitzt
und bei Temperaturen weit unter seinem Schmelzpunkt schrumpft. Grundsätzlich kann
jedes derartige Material für diesen Zweck benutzt werden, jedoch hat sich ein Film
aus Polymethylenterephthalsäureester-Kunstharz besonders bewährt. Die Anfangskante
des Films 15 wird an den Leitern 13 mittels eines geeigneten Klebstoffs befestigt,
so daß der Film dicht um die Leiter 13 herumgewickelt werden kann. Die Endkante
des Films 15 wird gleichfalls auf der Barunterliegenden Filmlage bei 17 mittels
eines Klebstoffs befestigt, so daß sich der Film nicht wieder abwickeln kann. Die
Dicke des Films und die Zahl der Filmschichten hängt von der Betriebsspannung der
betreffenden Maschine und von der Möglichkeit der Entstehung von Koronaentladungen
ab. Filme mit einer Dicke von etwa 0,025 mm bis zu dem etwa 7,5fachen dieser Dicke
bei zwei bis fünf Schichten haben sich für verschiedene Zwecke bewährt. Da es stets
wünschenswert ist, mehrere Filmschichten 15 zu verwenden, wird man bei Maschinen
für weniger hohe Spannungen ein dünneres Filmmaterial und für Maschinen für höhere
Spannungen ein dickeres Filmmaterial verwenden.
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Da bei der Aufbringung des Films stets gewisse Hohlräume entstehen,
ist es notwendig, diese wieder zu beseitigen, um die Spule gegen Koronaentladungen
zu schützen und die dielektrische Festigkeit der ganzen Isolation auf den Festigkeitswert
des Filmmaterials zu bringen. Zu diesem Zweck wird der Film kurzzeitig, beispielsweise
15 Minuten, auf eine Temperatur von 100 bis 150° gebracht, wobei er auf die Spule
12 dicht aufschrumpft. Diese Aufschrumpfung kann bei der letzten Erhitzung der ganzen
Spule geschehen, wie weiter unten noch ausführlicher beschrieben. Eine solche Erhitzung
führt zur einer Längenverminderung des Films aus Polymethylenterephthalat um wenigstens
3 bis 50/o, ohne eine nennenswerte Erweichung desselben. Da die Anfangs-und Endkante
des Films fest an der Spule 12 angebracht ist und der Film eine hohe Zugfestigkeit
aufweist, übt der Film bei dieser Schrumpfung eine Kraft auf die Spule und die Barunterliegenden
Filmschichten aus, bei der alle Lufteinschlüsse praktisch verschwinden. Wenn die
Erzeugung von größeren Kompressionskräften erwünscht ist, kann man den Polymethylenterephthalat-Film
noch höher erhitzen und dadurch eine noch stärkere Schrumpfung hervorrufen. Es lassen
sich Schrumpfungen bis zu 70/o erzeugen.
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Prüfungen des Verlustwinkels der Isolation bei 4000 Volt zeigen, daß
die Isolation praktisch hohlraumfrei ist. Der Verlustwinkel der Spule mit mehreren
Lagen aus dem angegebenen, um 3 bis 5 % geschrumpften Filmmaterial ist um 400/o
kleiner als der Verlustwinkel einer Spule, die in bekannter Weise mit einem durch
einen Lack imprägnierten Baumwollband isoliert wird. Eine hohe Zugfestigkeit des
Films bei höheren Temperaturen und die Verhinderung einer Loslösung oder Abwicklung
des Films sind notwendige Vorbedingungen für die Erreichung einer solchen hohlraumfreien
Isolation.
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Nach der Anbringung der Schichten des Films 15 wird die Spule 12 mit
einem porösen oder durchlässigen Material 18 bewickelt, um die Festigkeit der Isolierung
zu erhöhen und um den Film zu verstärken. Vorzugsweise wird das Material 18 in Form
eines gewebten Bandes aufgebracht. Auf diese Bewicklung wird ein Dichtungsmittel,
beispielsweise ein Lacküberzug 19, aufgebracht, das mit dem Film 15 dadurch bindet,
daß es in die Zwischenräume 20 zwischen den Fäden des Bandes 18 eindringt. Da es
wünschenswert ist, eine verhältnismäßig dicke Lackschicht 19 zum Schutz der Spule
gegen Feuchtigkeit und andere schädliche Substanzen anzubringen, könnte eine Biegung
der Spule eine Lösung der Lackschickt 19 von dem Film 15 bewirken. Die Bewicklung
18 bewirkt jedoch eine Verstärkung der Lack-Schicht 19 und eine Verbesserung ihrer
Haftung an der Spule 12.
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An sich kann man zwar ein beliebiges poröses Material zur äußeren
Bewicklung der Filmschichten 15 benutzen, jedoch ist es zweckmäßig, daß die Bewicklung
18 bei erhöhten Temperaturen eine gleiche oder größere Schrumpfung wie die Filmschichten
15 zeigt. Es ist daher zweckmäßig, die Bewicklung 18 aus Fäden zu weben, die aus
Polymethylenterephthalat oder aus Polyacrylnitril bestehen.
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Nachdem der in die Ankernuten einzufügende Teil 12a der Spule in der
angegebenen Weise isoliert ist, werden die Wickelköpfe 12 b der Spule in einer für
die beabsichtigte Verwendung geeigneten Weise isoliert, beispielsweise mit mehreren
Lagen eines Bandes aus Polyacrylnitril oder aus Polymethylenterephthalat bewickelt.
Sodann wird die ganze Spule mit dem abdichtenden Überzug 19 aus einem geeigneten
isolierenden Lack überzogen. Dieser Überzug kann z. B: durch mehrfaches Eintauchen
der Spule in einen mit Öl versetzten Asphaltlack erzeugt werden; wie er allgemein
für solche Zwecke angewendet wird. Nach jedem Eintauchvorgang wird die Spule erwärmt,
um den Lack bei einer Temperatur von 135 bis 150° zu trocknen. Diese Erwärmung kann
gleichzeitig zur Aufschrumpfung der Filmschichten 15 und der porösen Bewicklung
18 auf die Spule dienen.
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Die Filme oder Fäden aus Polymethylenterephthalat haben einen Schmelzpunkt
von etwa 250° und werden durch Veresterung eines Polymethylenglykols mit Terephthalsäure
oder durch eine niedermolekulare
Diallylveresterung der Terephthalsäure
hergestellt. Vorzugsweise soll ein Äthylenglykolterephthalat, welches aus Äthylenglykol
und Dimethylterephthalat hergestellt werden kann, für die Isolationen 15 und 18
benutzt werden.
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Das obenerwähnte Polyacrylnitrilkunstharz kann ein Polymerisat von
Acrylnitril oder ein Mischpolymerisat mit weiteren polymerisierbaren Verbindungen,
beispielsweise mit Verbindungen, welche eine oder mehrere Äthylengruppen enthalten,
z. B. die Vinylpyridine, Vinylacetat, Vinylchlorid, Methacrylnitril, Acrylsäure
und deren Ester und Homologe, z. B. Methacrylsäure, Dimethylitaconat, Methylvinylketon,
Äthylvinylsulfone, Styrol, Isobutylen und Butadien, wie auch andere Vinyl- und Acrylsäureverbindungen,
andere olefine oder diolefine Kohlenwasserstoffe usw. und die Polymeren dieser Substanzen
sein.
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Die Fig. 3 zeigt die Ergebnisse von Zugfestigkeitsprüfungen eines
Films aus Polymethylenterephthalat, d. h., sie zeigt den Verlauf seiner Zugfestigkeit
bis zu Temperaturen von 150°. Bei den durchgeführten Versuchen betrug die Zugfestigkeit
des Films bei Zimmertemperatur über 1476 kg/cm2. Die Festigkeit dieses Materials
bei 150° liegt noch über 1265 kg/cm2, d. h. beträgt etwa 850/o der Festigkeit bei
Zimmertemperatur. Wie oben erwähnt, schrumpft dieser Film bei 150° um etwa 3 bis
50/o. Wegen seiner bei dieser Temperatur noch bestehenden hohen Zugfestigkeit und
weil man einen derartigen Film unter geringen Lufteinschlüssen auf die Spule aufwickeln
kann, stellt ein Film aus diesem Material eine Isolation praktisch ohne Hohlräume
für die Spule dar, deren gesamte dielektrische Festigkeit annähernd so groß ist
wie die des Filmmaterials selbst. Zu Vergleichszwecken ist in Fig. 3 die Kurve für
Acetylcellulose mit eingezeichnet. Ein derartiger Film hat eine Zugfestigkeit, die
bei 150° nur annähernd ein Sechstel der Zugfestigkeit von Polymethylenterephthalat
ist.
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Die nach der Erfindung isolierte Spule besitzt also eine hohlraumfreie
Isolation, ohne daß es notwendig ist, etwaige Hohlräume, wie bisher gelegentlich
geschehen, durch ein Füllmaterial zu beseitigen oder in der Preßform einen Druck
zur Beseitigung von Hohlräumen auszuüben. Außerdem besitzt sie eine thermische Stabilität,
welche ihre Zerstörung im Betrieb verhindert. Eine solche Spule wird also ihre Form
auch bei höheren Betriebstemperaturen sehr lange beibehalten.
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Ein weiterer Vorteil der Spule gemäß der Erfindung ergibt sich aus
Versuchen, welche die Widerstandsfähigkeit der Isolation gegen Schnitt oder Druck
von etwa dem 7fachen gegenüber den früher benutzten mit durch Lack imprägniertem
Baumwollband isolierten Spulen ergaben, so daß also eine geringere Isolationsdicke
bei verbesserter Spulenqualität erreicht wird.