-
TECHNISCHES
GEBIET
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektrischen
Maschinen. Sie betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines aus verroebelten Litzenleitern
aufgebauten Leiterstabes gemäss
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
STAND DER
TECHNIK
-
Statorwicklungen
von Grossgeneratoren bestehen aus Leiterstäben in Form von sogenannten Roebelstäben (siehe
z.B. die US-A-1,144,252). Die Leiterstäbe sind dem magnetischen Eigenfeld
und dem Hauptfeld der Maschine ausgesetzt. Eine Unterteilung in
Teilleiter mit einer Verdrillung derselben, wie sie bei den Roebelstäben verwirklicht
ist, bringt eine Reduktion der Wirbelstromverluste und der Schlingstromverluste
auf ein akzeptables Niveau.
-
In
den 70er Jahren wurden Luftspaltwicklungen für Grenzleistungsgeneratoren
mit flüssigkeitsgekühlten oder
supraleitenden Rotoren untersucht. Hier war eine Stossrichtung die
Verwendung von Roebelstäben
mit verseilten Litzenleitern (siehe z.B. die CH-532 860 und die
JP-A62100144).
-
Diese
Stäbe waren
durchwegs flüssigkeitsgekühlt. Die
primäre
Aufmerksamkeit des Designs galt dabei dem guten thermischen Kontakt
der Leiter zum Kühlrohr.
Weiterhin ist beschrieben worden, dass Litzenseile zunächst zu
annähernd
rechteckigen Teilleitern gepresst und dann wie massive Cu-Teilleiter
zum Roebelstab verroebelt worden sind. Das schwierige Verfahren
des Kröpfens
(2 der US-A-1,144,252),
das für
solche vorgepressten Litzenleiter noch schwieriger ist, als für massive
Teilleiter, ist jedoch in den Patentschriften nicht beschrieben.
-
Weiterhin
ist es bekannt (US-A1-2002/0050395), integral zu Windungen gepresste
rechteckige Litzenstäbe
aus einer Vielzahl von isolierten Cu-Drähten, ohne Verroebelung, in kleinen
Alternatoren hoher Frequenz für
die Fahrzeugtechnik einzusetzen. Infolge fehlendem systematischen
Positionswandern über
den ganzen Leiterquerschnitt treten ab einer gewissen Leitergrösse unerwünschte Schlingströme auf.
-
Das
DE-GM G8321135.1 beschreibt verroebelte Litzenleiter für Spulen
aller Art. Die beschriebenen Leiter können auf rechteckigen Querschnitt
verformt sein. Dabei bleiben die Leiter Halbzeuge, d.h., sie können in
einem weiteren Schritt z.B. in Transformatoren zu Spulen gewickelt
werden. Eine Beschreibung der Kompaktierung und bleibenden Verfestigung
wird daher nicht angegeben.
-
DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
-
Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines aus
verroebelten Litzenleitern aufgebauten, kompaktierten und verfestigten
Leiterstabes anzugeben, welches eine vereinfachte und fehlerfreie
Verroebelung ermöglicht
und sich insbesondere für
die Anwendung bei indirekt gekühlten Leiterstäben eignet.
-
Die
Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der
Kern der Erfindung besteht darin, die verseilten Litzenleiter nicht vor
dem Verroebeln zu Teilleitern mit rechteckigem Querschnitt zu verpressen
und zu kompaktieren, sondern zunächst
die unverpressten Litzenleiter durch schraubenförmiges Wickeln auf einen flachen Dorn
zu einer ungefähr
rechteckförmigen
Aussenkontur zu verroebeln und anschliessend die verroebelte Leiterraupe
in die endgültige
Form des Leiterstabes zu verpressen. Dadurch, dass (1) die Verroebelung
vor dem Verpressen der Litzenleiter stattfindet und (2) die Leiterraupe
bereits eine rohe Rechteckkontur besitzt, wird der Stabherstellungsprozess wesentlich
vereinfacht und die isolierten Einzeldrähte in den Litzenleitern werden
mechanisch erheblich weniger beansprucht. Die Verroebelung erfolgt
vorzugsweise mit konstantem Schritt über die gesamte Stablänge.
-
Eine
erste bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass vor dem zweiten Schritt jeder Litzenleiter schraubenförmig mit einem
elektrisch isolierenden Band, vorzugsweise überlappend, bewickelt wird,
dass als Band ein dehnbares, für
Imprägnierharz
durchlässiges
Gewebe verwendet wird, und dass das Band gedehnt auf den Litzenleiter
aufgewickelt wird.
-
Eine
zweite bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung
zeichnet sich dadurch aus, dass nach dem dritten und vor dem vierten Schritt
in den vom entfernten Wickeldorn hinterlassenen Hohlraum in der
Leiterraupe eine im Vergleich zum Wickeldorn dünne, streifenförmige Isolationszwischenlage
eingebracht wird, wobei die Isolationszwischenlage aus einem dünnen Streifen
eines wärmebeständigen,
spannungsfesten, mechanisch verformbaren Isolierstoffs, insbesondere
aus einem wenige Zehntelmillimeter dicken Streifen eines aromatischen
Polyamid-Polymers, vorzugsweise aus einem 0,13 mm dicken Streifen
aus Nomex®,
besteht. Durch das Einbringen der Isolationszwischenlage wird beim anschliessenden
Verpressen eine zusätzliche
Sicherheit gegen einen elektrischen Schluss unter Einzeldrähten sich
kreuzender Litzenleiter erreicht. Bevorzugt geschieht das Einbringen
dadurch, dass der Wickeldorn aus der Leiterraupe in Längsrichtung
herausgezogen wird, und dass die Isolationszwischenlage gleichzeitig
mit dem Herausziehen des Wickeldorns in die Leiterraupe hineingezogen
wird.
-
Eine
dritte bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens
ist dadurch gekennzeichnet, dass der fertige Leiterstab einen rechteckigen
Querschnitt aufweist, und dass als Wickeldorn ein Profil mit rechteckigem
Querschnitt und abgerundeten Kanten verwendet wird. Durch die Verwendung des
Wickeldorns mit abgerundeten Kanten wird eine Beschädigung der
innenliegenden Einzeldrähte
sicher vermieden. Das Profil ist vorzugsweise aus Metall einer grösseren Härte als
das der Stabmaterialien. Zum leichteren Herausziehen aus der Leiterraupe
(kontinuierlich oder abschnittsweise) kann es eine polierte Oberfläche aufweisen.
Alternativ kann die Oberfläche
mit einer glatten, gleitfähigen
Beschichtung versehen werden.
-
Bevorzugt
werden im vierten Schritt die Einzeldrähte der Leiterraupe beim Pressvorgang
miteinander verklebt, wobei die Verklebung der Einzeldrähte durch
ein Erhitzen der Leiterraupe vor und/oder während des Pressvorgangs in
einer Pressvorrichtung erfolgt, und zur Trennung der Leiterraupe
von der Pressvorrichtung zwischen der Leiterraupe und der Pressvorrichtung
Trennmittel vorgesehen werden. Vorzugsweise wird die Leiterraupe
vor dem Pressvorgang aussen mit einem Trennmittel umgeben, insbesondere
mit einer Trennfolie umwickelt, wobei sich als Trennfolie eine Folie
aus Polyvinylfluorid (PVF), insbesondere aus Tedlar®, bewährt hat. Es
ist aber auch denkbar, dass die Pressvorrichtung mit einer trennfähigen Beschichtung
als Trennmittel versehen ist, z.B. Teflon® in
einer Titanoxid-Matrix.
-
Wenn
die Einzeldrähte
eine wärmebeständige Isolierung,
insbesondere aus einer Emaillierung, aufweisen, wird die Leiterraupe
als Vorbereitung zum Verkleben vor dem vierten Schritt mit einem
Bindemittel in Form eines leicht penetrierenden, wärmehärtenden
Harzes getränkt.
Dies kann beispielsweise durch kontrolliertes Bepinseln oder Besprühen erfolgen.
-
Es
ist aber auch denkbar, dass die Einzeldrähte zum Verkleben über der
Isolierung bzw. Emaillierung mit einem bei Wärmeeinwirkung aufschmelzenden
Backlack (einem teilvernetzten Harz) beschichtet sind. Die Beschichtungsdicke
kann dabei so eingestellt werden, dass bei der Kompaktierung gerade
alle Hohlräume
mit dem Harz gefüllt
sind.
-
Dabei
kann es von Vorteil sein, wenn zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit
im fertigen Leiterstab das wärmehärtende Harz
bzw. der Backlack ein Additiv zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit, insbesondere Bornitrid
einer Korngrösse
0,1....20 μm,
enthält.
-
Schlingstromverluste
im verroebelten Lizenstab können
als vernachlässigbar
klein angesetzt werden. Die elektrischen Zusatzverluste bestehen dann
aus den Wirbelstromverlusten und betragen pro Einzeldraht:
mit
- κ:
- spezifische elektrische
Leitfähigkeit
- f:
- Frequenz
- B:
- magnetische Flussdichte
- l:
- Drahtlänge
- D:
- Drahtdurchmesser
-
Als
Einzeldrähte
haben sich bei der Erfindung Runddrähte aus Kupfer mit einem Leiterdurchmesser
von 0,5 mm bis 1,2 mm, insbesondere von 0,8 mm bis 1,0 mm, bewährt.
-
Die
Anzahl Einzeldrähte
pro Stab bestimmt sich aus Stabhöhe
und Stabbreite und dem vorbekannten Füllfaktor (= Cu-Querschnitt/Stabquerschnitt),
welche bei etwa 70% liegt. Je nach Maschinengrösse und Frequenzspektrum kann
ein Stab mit 8–20
Litzenleitern versehen sein, und ein Litzenleiter kann aus 40 bis
400 Einzeldrähten
bestehen.
-
Um
eine übermässige Verschiebung
und Krempelung der Trennschicht bzw. Trennfolie beim Verpressen
zu verhindern, kann es vorteilhaft sein, die Leiterraupe vor dem
Aufbringen des Trennmittels bzw. der Trennfolie annähernd auf
die Querschnittskontur des fertigen Leiterstabes vorzupressen.
-
Besonders
kompakte Leiterstäbe
ergeben sich, wenn das Verseilen der Einzeldrähte zu den Litzenleitern und
das Verroebeln der Litzenleiter zur Leiterraupe mit demselben Drehsinn
erfolgen. Es ergibt sich hier insbesondere eine glatte Aussenkontur
des Stabes.
-
Es
ist aber auch denkbar, dass das Verseilen der Einzeldrähte zu den
Litzenleitern und das Verroebeln der Litzenleiter zur Leiterraupe
mit entgegengesetztem Drehsinn erfolgen.
-
Die
Litzenleiter können
aus mehreren konzentrischen Lagen von Einzeldrähten bestehen. Beim Verseilen
der Einzeldrähte
zu den Litzenleitern haben vorzugsweise alle Lagen von Einzeldrähten denselben
Drehsinn. Hierdurch werden unnötige Kreuzungen
von Einzeldrähten
vermieden, was für den
Füllfaktor
und die Schlussfreiheit förderlich
ist. Anstelle einer Lagenanordnung kann auch ein Anzahl gestreckter
Einzeldrähte
gebündelt
und miteinander zu einem Litzenleiter verdrillt werden.
-
Eine
erleichterte Verpressung und verbesserte Kompaktierung wird dadurch
erreicht, dass als Einzeldrähte
weiche Cu-Drähte
verwendet werden. Dies wird dadurch erreicht, dass der Draht nach
dem Ziehen, aber vor Aufbringen der Emaillierung, weichgeglüht wird.
-
Weiterhin
kann es von Vorteil sein, wenn zumindest jeder zweite Litzenleiter
zum Schutz der Einzeldrähte
beim Aufwickeln auf den Wickeldorn vor dem zweiten Schritt mit einem
dünnen,
dehnbaren Faden oder einem dünnen,
reckbaren, vorzugsweise harzdurchlässigen Band umwickelt wird.
-
Auch
ist es möglich
und für
den Herstellvorgang günstig,
wenn die Litzenleiter im Parallelgang auf den Wickeldorn aufgewickelt
werden, und wenn die erzeugte Leiterraupe kontinuierlich oder abschnittsweise
vom Wickeldorn abgezogen wird.
-
Die
Herstellung vereinfacht sich weiter, wenn im vierten Schritt die
Leiterraupe gleichzeitig über
die gesamte Länge
des späteren
Leiterstabes durch den Pressvorgang in die für den fertigen Leiterstab vorgesehene,
insbesondere rechteckige, Querschnittsform gebracht wird, wobei
die Stäbe
an beiden Enden entsprechend der Wickelkopfgeometrie die definitive Leiterkrümmung erhalten.
Der fertige Leiterstab wird dann nachträglich in an sich bekannter
Weise mit der Stab-Hauptisolierung versehen.
-
Der
erfindungsgemässe
Leiterstab für
eine grosse, rotierende elektrische Maschine, welcher Leiterstab
aus einer Vielzahl von miteinander verseilten und verklebten Einzeldrähten aufgebaut
ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass er durch ein Verfahren nach
einem der Ansprüche
1 bis 22 hergestellt ist.
-
KURZE ERLÄUTERUNG
DER FIGUREN
-
Die
Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang
mit der Zeichnung näher
erläutert
werden. Es zeigen
-
1 im
Querschnitt einen Ausschnitt eines Stators einer grossen rotierenden
elektrischen Maschine mit zwei in eine Nut eingesetzten Leiterstäben (Roebelstäben) gemäss einem
Ausführungsbeispiel der
Erfindung;
-
2 einen
Abschnitt eines Leiterstabs aus 1 in einer
perspektivischen Darstellung;
-
3 in
der Seitenansicht einen Abschnitt eines beispielhaften, isolierten
Einzeldrahtes, wie er zur Herstellung eines Leiterstabes nach der
Erfindung eingesetzt werden kann;
-
4 in
der Seitenansicht einen Abschnitt eines aus mehreren Einzeldrähten gemäss 3 verseilten
Litzenleiters;
-
4a in
der Seitenansicht die Umwicklung des Litzenleiters mit einem dünnen Isolierband;
-
5 in
der Seitenansicht einen Abschnitt einer durch Aufwickeln bzw. Verroebeln
von mehreren Litzenleitern gemäss 4 auf
einem flachen Wickeldorn erzeugten Leiterraupe;
-
6 die
Leiterraupe aus 5 nach dem Herausziehen des
Wickeldorns;
-
7 das
Einziehen einer Isolationszwischenlage in den vom Wickeldorn freigelassenen Hohlraum;
-
8 im
Querschnitt die Leiterraupe mit eingezogener Isolationszwischenlage
gemäss 7
-
9 im
Querschnitt die mit einer Trennfolie umwickelte Leiterraupe aus 8;
-
10 die
in eine Pressvorrichtung eingelegte Leiterraupe;
-
11 die
in der Breitseite auf Stabformat gepresste Leiterraupe;
-
12 die
in der Schmalseite auf Stabformat gepresste Leiterraupe, die den
fertigen Leiterstab (Roebelstab) bildet;
-
13 in
einer gemäss 13a aufgeschnittenen Seitenansicht einen Abschnitt
des fertig verpressten Leiterstabes, bei dem die Versei lung der Litzenleiter
und die Verroebelung den gleichen Drehsinn aufweisen; und
-
13a das zu der Seitenansicht in 13 führende Schnittschema.
-
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER
ERFINDUNG
-
Die
Erfindung bezieht sich auf die Herstellung eines als Roebelstab
ausgebildeten Leiterstabes 103, wovon zwei Stück in 1 beispielhaft
in der Nut 101 eines Stators 100 eines Grossgenerators untergebracht
und mit einem Verschlusskeil 102 gesichert sind. Der Leiterstab 103 ist
gemäss 2 aus einer
Vielzahl von elektrisch isolierten Einzeldrähten 104 aufgebaut
und von einer Hauptisolierung 105 umgeben, die üblicherweise
eine Wicklung aus einem Band auf der Basis von Glimmerpapieren umfasst.
Der Leiterstab 103 ist durch Verpressen in eine rechteckige
Querschnittsform gebracht, die zu einem guten Füllfaktor in der Nut führt.
-
Das
erfindungsgemässe
Verfahren geht aus von runden Einzeldrähten 104 der in 3 dargestellten
Art, die einen zentralen Leiter 106 mit kreisrundem Querschnitt
aus vorzugsweise weichem Leiterkupfer umfassen, der über die
ganze Länge
mit einer elektrischen Isolierung 107 ummantelt ist. Die Einzeldrähte 104 haben
einen Cu-Durchmesser von 0,5 mm bis 1,2 mm, insbesondere von 0,8
mm bis 1,0 mm. Die Isolierung 107 hat die Auftragsklasse
C1 oder C2 und erhöht
den Durchmesser um beispielsweise 6...10%. Sie besteht aus einer
zähen,
temperaturfesten Emaillierung z.B. aus Polyesterimid, Polyamidimid
oder Polyimid und kann zusätzlich
mit einem Backlack beschichtet sein, der beim späteren Verkleben des verpressten
Leiterstabes eine Rolle spielt.
-
Aus
einer Vielzahl von Einzeldrähten 104 werden
zunächst
gemäss 4 durch
mehrlagiges Verseilen einzelne Litzenleiter 108 hergestellt.
Ein Litzenleiter 108 kann aus 40...400 Einzeldrähten bestehen.
Alle Einzeldrähte
sind vorzugsweise in gleichsinnigen Lagen gewickelt. Alternativ
kann der Litzenleiter 108 hergestellt werden aus einer
Anordnung von parallelen Drähten,
welche anschliessend gebündelt
und durch Verdrehen der Anordnung verdrillt werden. Die Schlagweite
der Verdrillung richtet sich nach dem Querschnitt des Litzenleiters
und liegt zwischen 50 und 300 mm.
-
Gemäss 4a ist
jeder Litzenleiter vor der Herstellung des Stabes mit einem dünnen Band 129 aus
elektrisch isolierendem, dehnbaren Gewebe schraubenförmig, vorzugsweise
mit Überlappung, bewickelt.
Das Band 129 ist für
ein Imprägnierharz durchlässig. Es
wird gedehnt auf den Litzenleiter 108 aufgewickelt, so
dass es der späteren
Kompaktierung des Litzenleiters 108 ohne Krempelung folgen kann.
Ein solches Isolierband 129 weist eine Dicke von 0,03....0,1
mm auf und kann z.B. aus einem Garn oder Gewebe aus Polyesterfasern
aufgebaut sein. Das Material kann auch zusätzlich wärmeschrumpfende Eigenschaften
aufweisen.
-
Mehrere
von diesen Litzenleitern 108 werden dann parallel nach
Art einer Verroebelung auf einen flachen, vorzugsweise aus Al bestehenden,
Wickeldorn 109 in Längsrichtung
aufgewickelt. Der Verroebelungsschritt wird vorzugsweise über die
ganze Stablänge
konstant gehalten und beträgt
ein Mehrfaches der üblichen
360°. Im
wesentlichen wird eine Steigungsmodul der Litzenleiter von 10...30%
eingestellt. Um beim späteren
Leiterstab den in 2 gezeigten rechteckigen Querschnitt
zu erhalten, hat der Wickeldorn 109 ebenfalls einen (in 5 durch
die schraffierte Fläche
angedeuteten) rechteckigen Querschnitt 128. Die Kanten
des Wickeldorns 109 sind gerundet, damit Beschädigungen
bei den um die Kanten gebogenen Einzeldrähten vermieden werden.
-
Beim
Wickeln der Litzenleiter 108 um den Wickeldorn 109 entsteht
eine Leiterraupe 110, die nach dem Entfernen (Herausziehen)
des Wickeldorns 109 einen näherungsweise rechteckigen Hohlraum 111 (6, 8)
aufweist. Primär
für den Fall,
dass keine Bewicklung des Litzenleiters mit Isolierband erfolgt,
wird in diesen Hohlraum 111 gleichzeitig mit oder nach
dem Herausziehen des Wickeldorns 109 eine dünne, streifenförmige Isolationszwischenlage 112 bzw. 112a aus
einem wärmebeständigen,
verformbaren Isolierstoff eingeschoben (7), so dass
sich anschliessend das in 8 dargestellte Bild
des Querschnitts der Leiterraupe 110 ergibt. Die Höhe der Isolationszwischenlage
entspricht etwa der Höhe
des Wickeldorns (Isolationszwischenlage 112 in 8).
Sie kann auch leicht höher
sein, was zu einer leichten Stauchung führt (Isolationszwischenlage 112a in 8).
Als Material kann beispielsweise verwendet werden:
- – Aromatisches
Polyamid (0,13 mm Nomex®), ausgezeichnet durch
eine hervorragende elektrische Spannungsfestigkeit auch bei starker
mechanischer Verzerrung.
- – Glas-
oder Polyestergewebe oder -Vlies, welches über die Gewebe/Vlies-Struktur für eine elektrische
Separation und dank Durchlässigkeit für ein Imprägnierharz
für einen
hervorragenden Kraftschluss sorgt.
-
Sind
emaillierte Einzeldrähte 104 verwendet worden,
wird nun die Leiterraupe 110 auf geeignete Weise mit einem
wärmehärtenden
Harz getränkt,
wobei darauf zu achten ist, dass durch zu viel eingebrachtes Harz
nicht der Füllfaktor
des fertigen Leiterstabes 103 verringert wird. Nachdem
die Leiterraupe mit dem Harz getränkt worden ist, wird sie aussen
mit einem Trennmittel 113 in Form einer Trennfolie (z.B. aus
Tedlar®)
umwickelt (9 zeigt die fertig umwickelte
Leiterraupe). Die Trennfolie 113 verhindert ein Verkleben
des harzgetränkten
Leiterstabes mit der Pressvorrichtung 114 (10).
-
Die
so vorbereitete Leiterraupe 110 wird nun in eine geeignete
Pressvorrichtung 114 eingelegt, wie dies beispielhaft in 10 wiedergegeben
ist. Die Pressvorrichtung 114 ist so ausgelegt, dass die Leiterraupe 110 nacheinander
zunächst über die Breitseite
und anschliessend über
die Schmalseite zum Leiterstab mit rechteckigem Querschnitt verpresst
und kompaktiert werden kann. Gleichzeitig mit dem Verpressen kann
die Leiterraupe 110 in der Pressvorrichtung 114 erhitzt
werden, um das in die Leiterraupe 110 eingebrachte Harz
auszuhärten
und die Einzeldrähte 104 miteinander
zu verkleben (verbacken). Das Erhitzen kann auch dazu benutzt werden,
den Backlack anzulösen,
wenn die Einzeldrähte 104 mit
einer Isolierung 107 aus Backlack umgeben sind.
-
Die
Pressvorrichtung 114 ist zweckmässigerweise so aufgebaut und
ausgestaltet, dass ein Roebelstab mit seiner komplexen Raumform
in einem einzigen Press- und
Verklebungsvorgang hergestellt werden kann. In den 10–12 ist
demgegenüber
zur Darstellung des Verfahrensprinzips ein vereinfachter Querschnitt
der Pressvorrichtung 114 wiedergegeben, der sich nur auf
einen kurzen (geraden) Abschnitt des Roebelstabes bezieht.
-
Die
Leiterraupe 110 wird mit der Breitseite so auf eine horizontale
Grundplatte 116 der Pressvorrichtung 114 gelegt,
dass sie mit der einen (in 10 linken)
Schmalseite einem rechtwinkligen Absatz 119 der Grundplatte 116 nahekommt
oder an diesem anliegt. Der Absatz 119 ist Teil der Pressform
beim Verpressen der Schmalseiten der Leiterraupe 110. Auf der
dem Absatz 119 gegenüberliegenden
Seite der Leiterraupe 110 ist eine senkrecht auf der Grundplatte 116 stehende
Pressleiste 120 angeordnet, die mittels eines über eine
Druckleitung 122 versorgten Hydraulikzylinders 121 parallel
zur horizontalen Pressfläche
der Grundplatte 116 auf den Absatz 119 zu verschoben
werden kann. Der Hydraulikzylinder 121 stützt sich
am anderen Ende an einem auf der Grundplatte 116 befestigten
Widerlager 123 ab.
-
Oberhalb
der Grundplatte 116 ist parallel zur Pressfläche der
Grundplatte 116 eine Pressplatte 115 angeordnet,
die durch eine nicht dargestellte Druckvorrichtung in Richtung auf
die Grundplatte 116 bewegt bzw. gedrückt werden kann. Die Pressplatte 115 ist
mittels einer Führungsvorrichtung
(Führungsleiste 117,
Führungsnut 118)
in ihrer Bewegung relativ zur Grundplatte 116 geführt, um
Scherbelastungen zu vermeiden. In der Pressplatte 115 und
in der Grundplatte 116 sind parallel zu den Pressflächen verlaufend
flächige
Heizvorrichtungen 124, 125 (z.B. in Form von elektrischen
Widerstandsheizungen) untergebracht, mittels derer das Pressgut
definiert erhitzt bzw. wärmebehandelt
werden kann.
-
In
einem ersten Pressvorgang wird nun die Pressplatte 115 gegenüber der
Grundplatte 116 bis zum Anschlag abgesenkt (11).
Dadurch wird die Leiterraupe 110 auf die Sollbreite des
späteren
Leiterstabes 103 (ohne Hauptisolation) kompri miert und der
durch das Entfernen des Wickeldorns 109 entstandene Hohlraum 11 weitgehend
zum Verschwinden gebracht.
-
In
einem zweiten Pressvorgang wird die Pressleiste 120 mittels
des Hydraulikzylinders 121 in Richtung auf den Absatz 119 verschoben
(12). Dadurch wird die Leiterraupe 110 auf
die Sollhöhe des
späteren
Leiterstabes 103 gebracht. Wenn in den Pressflächen des
Absatzes 119 und der Pressleiste 120 konkave Ausnehmungen 126, 127 vorgesehen
werden (gestrichelt in 11 eingezeichnet) erhält der fertig
verpresste Leiterstab 103 entsprechend abgerundete Kanten.
Die Isolationszwischenlage 112 passt sich dabei durch Verformung
den Konturen der verdichteten Litzenleiter an.
-
Der
fertig verpresste Leiterstab 103 ohne Hauptisolation ist
schliesslich in 13 in einer aufgeschnittenen
Seitenansicht wiedergegeben, wobei das Schnittschema in 13a gezeigt ist. Deutlich zu sehen ist die Verseilung
der Einzeldrähte 104 in den
Litzenleitern 108, die ihrerseits in der Darstellung mit
gleichem Drehsinn verseilt (verroebelt) sind.
-
Im
Rahmen der Erfindung können
folgende Änderungen
bzw. zusätzlichen
Massnahmen vorgenommen werden:
- a) Anstelle
der Tränkung
mit Harz während
der Stabfertigung ist eine Ausführung
des Drahtes als Backlackdraht möglich.
Dabei ist eine äussere Lackschicht
im teilvernetzten Zustand (B-Zustand) und kann durch Wärmebehandlung
nochmals aufgeschmolzen werden. Die Backlackdichte ist abgestimmt
auf eine optimale Füllung
aller Kavitäten
im fertig verdichteten Stab. Die Isolationszwischenlage in dünnem Glas-
oder Polyestergewebe (0,15–0,5
mm dick) ist vorzugsweise auch imprägniert mit Harz im B-Zustand.
- b) Das Füllharz
oder der Backlackdraht kann mit einem Additiv zur Erhöhung der
Wärmeleitfähigkeit
(z.B. Bornitrid in Pulverform mit einer Korngrösse im Bereich 0,1...20 μm) versehen
sein.
- c) Ein Drehsinn des Roebelschlages im gleichen Sinn wie die
Verseilung der Litzenleiter (13) gibt
sehr gute Resultate bezüglich
Füllfaktor, Schlussfreiheit,
Kantenradius und glatter Aussenhaut des Stabes.
- d) Seile mit wenig inneren Drahtquerungen (alle Drahtlagen in
selbem Drehsinn aufgetragen) sorgen für eine optimale Drahtfüllung.
- e) Ein weicher Cu-Draht als Ausgangsmaterial sorgt für eine gute
Verdichtung und einen guten Füllfaktor.
- f) Der Wickeldorn ist flach. Die Seile werden im Parallelgang
maschinell auf ihn aufgewickelt. Kontinuierlich oder periodisch
wird die erzeugte "Leiterraupe" vom Dorn abgezogen.
- g) Die Isolationszwischenlage wird der "Leiterraupe" vom Wickeldorn her zugegeben. Beigabe
entlang der Breitseite des Dorns oder über Schlitzöffnung im Dorn. Die Zwischenlage
hat etwa die Höhe
des Dorns.
- h) Lagerung und Transport der abgelängten "Leiterraupe" erfolgen auf einer geraden Pritsche.
- i) Lagerung und Transport der "Leiterraupe" erfolgen durch Aufwickeln auf eine
grosse Kabeltrommel.
- j) Eine vorteilhafte Stabherstellung würde eine Pressvorrichtung für die ganze
Stablänge
inklusive gekrümmte
Partien im Wickelkopfbereich beinhalten. Die Pressvorrichtung folgt
der Stabkrümmung.
Gepresst würde
zuerst die Breitseite auf Anschlag, dann die Schmalseite auf Anschlag. Die
Pressung auf der Schmalseite kann mit einer Reihe von Hydraulikzylindern
ausgeführt
werden. Zwischen den Stempeln der Hydraulikzylinder sorgt ein vorgekrümmter Druckstreifen
für Druckegalisierung.
- k) Ausgehend von der Stabmitte werden die Presswerkzeuge 121 der
Schmalseite nacheinander mit Druck beaufschlagt. Dieser Vorgang
kann auch in Wellen zunehmenden Druckes wiederholt werden. Dem Stab
wird so die Möglichkeit
gegeben, sich während
dem Pressen in Längsrichtung zu
verschieben.
- l) Die Schmalseiten der Pressform können konkave Ausnehmungen aufweisen,
um dem grünen Stab
eine Kantenrundung zu verleihen.
- m) Der Stab (die Leiterraupe) kann mit einer, vorzugsweise wärmeschrumpfenden,
Trennfolie zur Pressform abgedichtet werden. Die Folie aus glattem,
gleitfähigem
Material sorgt dafür,
dass die zuletzt applizierte Kraft auf die Schmalseite quasi hydrostatisch
in den ganzen Stabquerschnitt hinein verläuft, zwecks Erreichen einer
hohen, ausgeglichenen Verdichtung (guter Füllfaktor gute Wärmeleitfähigkeit).
Die Trennfolie bindet nicht, sie kann nach dem Aushärten leicht
entfernt werden. Als Materialien kommen Tedlar® und
Teflon® in
Frage. Die Leiterraupe kann vorteilhafterweise vor dem überlappten
Bandagieren mit der Trennfolie leicht vorgepresst werden.
- n) Die Pressvorrichtung kann auf ihren Innenflächen (Pressflächen) mit
einer gleitenden, trennfähigen
Beschichtung versehen sein, zur Erreichung des gleichen Zwecks wie
mit der Trennfolie. Dieser Belag kann z.B. aus einer Titanoxidmatrix
mit eingesintertem Teflon bestehen. Auch wird der Reinigungsaufwand
verkleinert (keine Benetzung der Wände).
- o) Verfahren für
ein Pressen mit Backlackdrähten: Beim
Pressen der Breitseiten wird die Form beheizt. Damit schmilzt der
Backlack auf, die Drähte lassen
sich leicht komprimieren (das Harz schmiert). Sofort anschliessend
wird der Stab auf der Schmalseite gepresst, die Presse wird dann heiss
belassen, oder nach einem speziellen Programm mit variierender Temperatur
gefahren, bis zum definitiven Aushärten (Anwendung wahlweise von
Trennfolie oder Teflonwand).
- p) Verfahren für
ein Pressen mit Füllharz:
a.
die Leiterraupe wird dosiert mit Füllharz versehen, z.B. durch
Besprühen;
b.
die Leiterraupe wird in die Pressvorrichtung gegeben und diese aufgewärmt
c.
zuerst Breitseite, unmittelbar nachher Schmalseite pressen;
d.
Pressvorrichtung heiss belassen, oder nach einem speziellen Programm
mit variierender Temperatur fahren, bis zum definitiven Aushärten (Anwendung
wahlweise von Trennfolie oder Teflonwand).
- q) Für
die elektrische Ankopplung eines Innenglimmschutzes kann nach Pressen
des grünen Stabs
die Aussenfläche
zumindest partiell angeschliffen werden, vorzugsweise auf der Schmalseite.
- r) Als Alternative zu den konkaven Ausnehmungen in den Pressflächen kann
ein für
die Beanspruchung der Hauptisolation günstiger, grösserer Kantenradius über einen
halbleitenden Kittauftrag auf die Schmalseiten aufgebracht werden.
-
Zusammenfassend
kann gesagt werden:
Die Erfindung bezieht sich primär auf das
Gebiet der indirekt gekühlten
Statorstäbe,
speziell deren Herstellung. Diese Stäbe haben keine eingebauten
Kühlrohre
und geben ihre Verlustwärme über die
Hauptisolation ab. Die Idee besteht darin, Litzenleiter anstelle
der üblichen
Teilleiter zu verwenden und den verroebelten Grünstab (= Stab ohne Hauptisolation) als
ganzes durch mechanisches Pressen zu kompaktieren und zu verfestigen.
Dieses Kompaktieren ist eine unabdingbare Voraussetzung für den Erfolg
des Litzenstabes. Damit wird ein akzeptabler Füllfaktor des Leiterkupfers
erzielt und der Wärmeleitwert
im Innern des Stabes erhöht.
Das Kompaktieren ist insbesondere problemlos, da kein Schluss zu
Kühlrohren oder
ein Zerquetschen von Kühlrohren
droht. Vorteilhafterweise kommt eine konstante mehrfache Verroebelung über die
gesamte Stablänge
zur Anwendung.
-
Die
Vorteile eines nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten
Litzenstabes sind:
- • bedeutend weniger Wirbelstromverluste,
was zu völlig
neuen Auslegungsmöglichkeiten
für elektrische
Maschinen führt.
- • der
Durchmesser der Drähte
richtet sich nach der Verwendung, resp. dem Magnetfeld, welchem die
Stäbe ausgesetzt
sind. Stäbe,
welche in konventionellen Nuten liegen, haben einen Draht-Kupferdurchmesser
von 0,8–1,2
mm, Stäbe von
Luftspaltwicklungen 0,5–1,0
mm. Ein Universaldurchmesser, geeignet für alle Anwendungen ist also
im Schnittbereich 0,8–1,0
mm möglich. Diese
Angaben beziehen sich auf Maschinenfrequenzen von Netzfrequenz 50/60
Hz. Grössere Frequenzen
(Schnellläufer
können
noch kleinere Durchmesser benötigen.
- • geeignet
für zukünftige Schnellläufergeneratoren
für Stromrichterbetrieb,
wo wegen höherer Frequenzkomponenten
besonders hohe Verluste im konventionellen Leiter auftreten, und
wo Sonderstäbe
unabdingbar sind;
- • geeignet
für Luftspaltwicklungen
von grossen elektrischen Maschinen, insbesondere solchen mit supraleitenden
Rotorwicklungen.
-
Die
Vorteile des erfindungsgemässen
Verfahrens der Ganzkomprimierung gegenüber dem Stand der Technik sind:
- • einfache
Herstellung durch die Schritte: Aufwickeln der ungepressten Litzen
auf Flachdorn, Dorn herausziehen, Leiterraupe imprägnieren, pressen
und aushärten;
- • guter
Füllfaktor
im Kröpfbereich,
da Litze als Kontinuum die Seite wechselt;
- • Drähte können sich
im grossen Verband unter Pressung gut gegenseitig ausrichten, d.h.
guter Füllfaktor
und trotzdem keine Schlüsse.
Der Einzeldraht ist vorteilhafterweise handelsüblicher, runder, emaillierter
Wicklungsdraht
-
- 100
- Stator
- 101
- Nut
- 102
- Verschlusskeil
- 103
- Leiterstab
(Roebelstab)
- 104
- Einzeldraht
- 105
- Hauptisolierung
- 106
- Leiter
(z.B. Cu)
- 107
- Isolierung
(z.B. Emaillierung oder Backlack)
- 108
- Litzenleiter
(Drahtseil)
- 109
- Wickeldorn
(rechteckig, flach)
- 110
- Leiterraupe
(verroebelt, ungepresst)
- 111
- Hohlraum
- 112,
112a
- Isolationszwischenlage
- 113
- Trennmittel,
Trennfolie
- 114
- Pressvorrichtung
- 115
- Pressplatte
- 116
- Grundplatte
- 117
- Führungsleiste
- 118
- Führungsnut
- 119
- Absatz
- 120
- Pressleiste
- 121
- Hydraulikzylinder
- 122
- Druckleitung
- 123
- Widerlager
- 124,
125
- Heizvorrichtung
- 126,
127
- Ausnehmung
(konkav)
- 128
- Querschnitt
(Wickeldorn)
- 129
- Band
