DE102008054449A1

DE102008054449A1 - Verfahren zum Verbinden zweier Leiterstücke

Info

Publication number: DE102008054449A1
Application number: DE102008054449A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Storch; Klaus Blänsdorf; Ralf Boywitt
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2007-12-19
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2009-06-25
Also published as: WO2009077594A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden zweier Leiterstücke (11, 12) einer rotierenden elektrischen Maschine großer Leistung, welche Leiterstücke (11, 12) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen. Eine die elektrischen Eigenschaften nicht beeinträchtigende Verbindung wird dadurch erreicht, dass die beiden Leiterstücke (11, 12) mit gleichartigen Verbindungsflächen (F1, F2) versehen bereitgestellt werden, dass die beiden Leiterstücke (11, 12) mit den Verbindungsflächen (F1, F2) unter Ausbildung einer Stoßfuge (13) stumpf aneinander stoßend auf einer Unterlage fixiert werden, und dass die beiden Leiterstücke (11, 12) im Bereich der Stoßfuge (13) mittels Rührreibschweißen stoffschlüssig miteinander verbunden werden.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der rotierenden elektrischen Maschinen. Sie betrifft ein Verfahren zum Verbinden zweier Leiterstücke gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft weiterhin einen mit einer derartigen Verbindung versehenen Leiter sowie eine elektrische Maschine mit einem solchen Leiter.
Stand der Technik
Bei grossen Generatoren (mehrere 100 MW) in Kraftwerken wird unter Nutzung bekannter physikalischer Gesetze (Lorentzkraft) die mechanische Rotationsenergie der Antriebsturbine (Gasturbine, Dampfturbine, Wasserturbine) in elektrischen Strom umgewandelt. Dabei übernehmen in den Generatorelementen Stator und Rotor Leiterpakete aus Kupfer die Stromleitung. Dieser Leitungstransport soll verlustarm erfolgen. Die Kupferleiter sind in Paketen konstruktiv unterschiedlich geformt, gebündelt und gegeneinander isoliert. Aus konstruktiven Gründen werden die Leiter aus geometrisch unterschiedlichen Segmenten hergestellt. Die Designausführungen erfordern daher – je nach Art und Aufbau der elektrischen Maschinen – Verformungen der Kupferleiter und Verbindungen der Kupferleiter untereinander (siehe z. B. die JP-10150737 ).
Zur stoffschlüssigen Verbindung von Kupferleitern werden herkömmlich die Verfahren „Löten" und „(Schmelz-)Schweissen" genutzt. Diese sichern die notwendige Festigkeit der Verbindung (siehe z. B. die EP-A1-1 544 984 ). Die bisher verwendeten Verbindungsverfahren wie Löten oder Schweissen verursachen in der Verbindung Störungen, die sich nachteilig in der Erhöhung des elektrischen Widerstandes bzw. im Sinken des Leitwertes äussern.
Bekannt ist als Verbindungsverfahren für metallische Werkstoffe aber auch das Rührreibschweissen („Friction Stir Welding,” siehe dazu insbesondere die EP-B1-0 615 480 ). In speziellen Fällen ist das Rührreibschweissen bereits dazu eingesetzt worden, aus Aluminium bestehende Leiterstäbe und Endringe der Rotorwicklung einer dynamoelektrischen Maschine miteinander zu verbinden, wobei die im Querschnitt runden Leiterstäbe mit ihren Enden in entsprechende Löcher in den Endringen senkrecht eingesteckt werden ( EP-A1-1 347 560 ). Eine ähnliche Käfig-Konfiguration, bei der die axialen Leiterstäbe mit Endringabschnitten durch Rührreibschweissung verbunden werden, ist aus der JP-2004-007949 bekannt geworden.
Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, die bei grossen rotierenden elektrischen Maschinen die vom Design bedingten Verbindungen von Kupferleitersegmenten verlustfrei bzw. verlustarm bezüglich einer Widerstandserhöhung bzw. eines Leitwertverlustes auszuführen und entsprechende Leiter bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 11 gelöst. Wesentlich für die Erfindung ist dabei, dass die beiden Leiterstücke mit gleichartigen Verbindungsflächen versehen bereitgestellt werden, dass die beiden Leiterstücke mit den Verbindungsflächen unter Ausbildung einer Stossfuge stumpf aneinander stossend auf einer Unterlage fixiert werden, und dass die beiden Leiterstücke im Bereich der Stossfuge mittels Rührreibschweissen stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Insbesondere sind dabei die beiden Leiterstücke hinsichtlich Form, Abmessungen und Zusammensetzung gleichartig.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die beiden Leiterstücke bandförmig ausgebildet sind, dass als Verbindungsflächen die Querschnittsflächen verwendet werden, und dass die beiden Leiterstücke einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Insbesondere kann die Breite der Leiterstücke wesentlich grösser sein als ihre Dicke.
Eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Rührreibschweissung mit einem um eine Drehachse rotierenden Rührreibschweisskopf durchgeführt wird, und dass der rotierende Rührreibschweisskopf entlang der Stossfuge verfahren wird. Vorzugsweise wird zur Durchführung des Rührreibschweissprozesses ein Rührreibschweisskopf aus einer Legierung verwendet wird, die etwa 0,08–0,20% C, etwa 3% Fe, etwa 14–21% Cr, Rest Ti, Al, Co und Ni enthält.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Leiterstücke auf der Unterlage auf beiden Seiten der Stossfuge fixiert werden, wobei zur Fixierung der Leiterstücke insbesondere von oben auf die Leiterstücke drückende Klemmstücke verwendet werden, welche sich zur Stossfuge hin in der Dicke keilförmig verjüngen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn zur seitlichen Führung der aufeinander ausgerichteten Leiterstücke seitliche Führungsstücke verwendet werden.
Eine Ausgestaltung des elektrischen Leiters nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Leiterstücke hinsichtlich Form, Abmessungen und Zusammensetzung gleichartig sind, dass die Leiterstücke bandförmig ausgebildet sind, dass die Leiterstücke einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen, und dass die Breite der Leiterstücke wesentlich grösser ist als ihre Dicke.
Eine rotierende elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator, die jeweils eine Wicklung aufweisen, ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung des Rotors und/oder Stators einen elektrischen Leiter nach einem der Ansprüche 11 bis 13 umfasst.
Kurze Erläuterung der Figuren
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
1a zwei beispielhafte, bandartige Leiterstücke vor dem Verbinden gemäss der Erfindung;
1b die aufeinander ausgerichteten und stumpf aneinander stossenden Leiterstücke vor dem Verbinden gemäss der Erfindung;
1c die schematische Darstellung eines Rührreibschweisskopfes, der zum Verbinden der Leiterstücke gemäss der Erfindung an der Stossfuge entlang verfahren wird;
1d die bevorzugte Art der Fixierung der Leiterstücke für das Rührreibschweissverfahren nach der Erfindung; und
1e die nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte Verbindung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Wesentliches Ziel der Erfindung ist es, elektrische Leiter aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, wie sie in den rotierenden elektrischen Maschinen grosser Leistung in der Stator- und/oder Rotorwicklung eingesetzt werden, verlustarm für den elektrischen Stromtransport zu verbinden. Dies wird dadurch erreicht, dass gemäss 1a die zu verbindenden Leiterstücke 11, 12 zunächst mit aneinander angepassten Verbindungsflächen F1 und F2 bereitgestellt werden, dass dann gemäss 1b bzw. 1d die Leiterstücke 11, 12 stirnseitig zusammengespannt werden, und dass schliesslich ein dazu speziell ausgelegtes Werkzeug in Form eines mit einem Fortsatz versehenen Rührreibschweisskopfes 14 (1c) um eine Drehachse 16 rotierend durch den Verbindungsstoss mit der Stossfuge 13 geführt wird.
Die dabei erzeugte Reibwärme plastifiziert (erweicht) die Stossflanken an den Verbindungsflächen F1, F2 der Leiterstücke 11, 12. Die Rotation des Werkzeuges 14 bewirkt die Vermischung der teigigen Werkstoffzonen entlang des Verbindungsstosses 13. Ein herkömmlicher Zusatzwerkstoff – wie zum Verbindungsschweissen üblich – wird nicht eingesetzt. Die Verbindung entsteht ausschliesslich durch Vermischen der erhitzten Werkstoffzonen auf Temperaturen unterhalb deren Schmelzpunktes.
Die Leiterstücke 11, 12 werden dabei gemäss 1d auf einer (nicht gezeigten) Unterlage fixiert, indem sie mittels zweier Klemmstücke 17 und 18 beidseits der Stossfuge 13 auf die Unterlage gepresst werden. Die Klemmstücke 17, 18 verjüngen sich in der Dicke zur Stossfuge 13 hin keilförmig, so dass der fixierende Druck bis nahe an die Stossfuge 13 heran ausgeübt werden kann, ohne die Bewegungsfreiheit des Werkzeugs 14 zu beeinträchtigen. Zur seitlichen Fixierung sind zusätzlich seitliche Führungsstücke 19, 20 mit gleichzeitiger Funktion als Ein- und Auslaufbleche für das Werkzeug 14 vorgesehen, die ein Verschieben der Leiterstücke 11, 12 auf der Unterlage gegeneinander sicher verhindern.
In einem bevorzugten Anwendungsfall werden die Leiterenden von Kupferprofilen, wie sie in Generatoren oder Motoren als Rotor- und/oder Statorwicklung Anwendung finden, auf diese Weise stumpf zusammengefügt (1b) und arretiert (1d). Eine zweckentsprechende Vorrichtung mit rotierendem Werkzeug 14, das bevorzugt aus einer Legierung mit ca. 0,08–0,20% C; ca. 3% Fe; ca. 14–21% Cr; Ti; Al, Co und Ni besteht, führt dieses Werkzeug 14 quer durch die Verbindungsstelle (1c) und bewirkt dabei eine Erhitzung der zusammengestossenen Stirnseiten der Leiterstücke 11, 12 bzw. Kupferprofile und eine Vermischung der plastischen Materialzonen, was zu deren Verbindungsbildung führt. Diese Methodik der Verbindungsbildung ohne Aufschmelzen der Kupferleiter sichert deren Leitfähigkeitserhalt ohne Nachteile aus dem Verbindungsprozess.
Wesentlich ist dabei, dass

• die Verbindungsbildung zwischen den getrennten Kupferleitern (Leiterstücken 11, 12) ohne deren Aufschmelzen erfolgt, was mittels einem rotierend unter Druck durch den Verbindungsstoss geführten Werkzeug (Rührreibschweisskopf 14) erfolgt, das die Stossflächen der zu verbindenden Leiter erhitzt und die teigige Werkstoffmasse vor deren Erkalten in einer Vermischungszone (21 in 1e) verbindungsbildend vermischt,
• der elektrische Leitwert des Leitermaterials aus Kupfer nicht vermindert bzw. der elektrische Widerstand des Leitermaterials nicht erhöht wird, und
• das Werkzeug vorzugsweise aus einem Werkstoff besteht, der eine Legierungszusammensetzung mit Anteilen an C, Fe, Cr, Ti, Al, Co aufweist.

Die beschriebene Verfahrenstechnik wurde erprobt zum Verbinden von Kupferleitern in Bandqualität (Dicke D ≈ 3,3 mm; Breite B ≈ 35 mm), wie sie z. B. für elektrische Generatoren der Leistung 500 MW eingesetzt werden. Vordergründiges Ziel war eine Beschleunigung der Verbindungsausführung mit der maschinellen Verfahrenstechnik gegenüber den herkömmlichen manuellen Verbindungstechniken wie Löten und Schmelzschweissen. Dabei wurden Verbindungen nachgewiesen, die frei von allen in Schmelzschweissverbindungen möglichen Fehlern waren.
Ergänzend zur Ermittlung der Verbindungshomogenität und Festigkeit wurde die elektrische Kenngröße LEITWERT für die untersuchten Schweissverbindungen (Rührreibschweissen; WIG-Schweissen) und das unbeeinflusste Leitermaterial bestimmt. Hierbei konnte nachgewiesen werden, dass die Leitfähigkeit der Rührreibschweissverbindung der des ungeschweissten Kupferleitermaterials entspricht, was bei der praktischen Verfahrensnutzung mit mehr als 1000 Leiterverbindungen an Grossgeneratoren deren Wirkungsgrad nachhaltig erhöht bzw. gegenüber bisherigen Verbindungstechniken nicht nachteilig reduziert.

10: Verbindung (stoffschlüssig)
11, 12: Leiterstück
13: Stossfuge (Verbindungsstoss)
14: Rührreibschweisskopf (Werkzeug)
15: Fortsatz
16: Drehachse
17, 18: Klemmstück
19, 20: Führungsstück, gleichzeitig Ein- und Auslaufbleche
21: Vermischungszone
B: Breite (Leiterstück)
D: Dicke (Leiterstück)
F1, F2: Verbindungsfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- JP 10150737 [0002]
- EP 1544984 A1 [0003]
- EP 0615480 B1 [0004]
- EP 1347560 A1 [0004]
- JP 2004-007949 [0004]

Claims

Verfahren zum Verbinden zweier Leiterstücke (11, 12) einer rotierenden elektrischen Maschine grosser Leistung, welche Leiterstücke (11, 12) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Leiterstücke (11, 12) mit gleichartigen Verbindungsflächen (F1, F2) versehen bereitgestellt werden, dass die beiden Leiterstücke (11, 12) mit den Verbindungsflächen (F1, F2) unter Ausbildung einer Stossfuge (13) stumpf aneinander stossend auf einer Unterlage fixiert werden, und dass die beiden Leiterstücke (11, 12) im Bereich der Stossfuge (13) mittels Rührreibschweissen stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Leiterstücke (11, 12) hinsichtlich Form, Abmessungen und Zusammensetzung gleichartig sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Leiterstücke (11, 12) bandförmig ausgebildet sind, und dass als Verbindungsflächen (F1, F2) die Querschnittsflächen verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Leiterstücke (11, 12) einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (B) der Leiterstücke (11, 12) wesentlich grösser als ihre Dicke (D) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rührreibschweissung mit einem um eine Drehachse (16) rotierenden Rührreibschweisskopf (14) durchgeführt wird, und dass der rotierende Rührreibschweisskopf (14) entlang der Stossfuge (13) verfahren wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Leiterstücke (11, 12) auf der Unterlage auf beiden Seiten der Stossfuge (13) fixiert werden (17, 18).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Fixierung der Leiterstücke (11, 12) von oben auf die Leiterstücke (11, 12) drückende Klemmstücke (17, 18) verwendet werden, welche sich zur Stossfuge (13) hin in der Dicke keilförmig verjüngen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur seitlichen Führung der aufeinander ausgerichteten Leiterstücke (11, 12) seitliche Führungsstücke (19, 20) mit gleichzeitiger Funktion als Ein- und Auslaufbleche verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Rührreibschweissprozesses ein Rührreibschweisskopf (14) aus einer Legierung verwendet wird, die etwa 0,08–0,20% C, etwa 3% Fe, etwa 14–21% Cr, Rest Ti, Al, Co und Ni enthält.
Elektrischer Leiter (11, 12) einer rotierende elektrischen Maschine grosser Leistung, welcher Leiter aus mehreren Leiterstücken (11, 12) zusammengesetzt ist, die aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen und jeweils über eine stoffschlüssige Verbindung (10) miteinander elektrisch leitend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (10) mittels Rührreibschweissen hergestellt ist.
Elektrischer Leiter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Leiterstücke (11, 12) hinsichtlich Form, Abmessungen und Zusammensetzung gleichartig sind.
Elektrischer Leiter nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterstücke (11, 12) bandförmig ausgebildet sind, dass die Leiterstücke (11, 12) einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen, und dass die Breite (B) der Leiterstücke (11, 12) wesentlich grösser ist als ihre Dicke (D).
Rotierende elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator, die jeweils eine Wicklung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung des Rotors und/oder Stators einen elektrischen Leiter (11, 12) nach einem der Ansprüche 11 bis 13 umfasst.