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Rotor-Wicklung für dynamoelektrische Maschinen mit ausgeprägten Polen
Die Erfindung betrifft dynamoelektrische Maschinen und insbesondere die isolierten
Wicklungen für Läufer mit ausgeprägten Polen bei dynamoelektrischen Maschinen mit
hoher Spannung und großer Leistung.
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Seit etwa 50 Jahren bestand die für gewöhnlich verwendete Isolierung
zwischen benachbarten Windungen von hochkant gewickelten Feldspulen solcher Maschinen
aus Schichten von Asbestpapier. das mit den hochkant gewickelten Leitern mittels
eines Schellacks oder ähnlicher Bindemittel verbunden war. Bei der Herstellung dieser
Wicklungen wurden diese in einer hydraulischen Presse heiß gepreßt, wodurch eine
feste einheitliche Wicklung mit den gewünschten Abmessungen erhalten wurde, wobei
die Isolierung die Wicklung zusammenhielt und benachbarte Windungen gegeneinander
isolierte. Obwohl solche jeweils bis zu 1 t wiegenden Wicklungen unter den meisten
Betriebsbedingungen sehr gut arbeiteten, traten doch bisweilen Schwierigkeiten auf,
und zwar infolge der Vergrößerung und bleibenden Formänderung der obersten Windungen
der Wicklung, was zur Folge hatte, daß die Wicklungen nach einigen Jahren aus der
Maschine entnommen und ausgebessert werden mußten. Wo z. B. solche Maschinen während
längerer Zeitspannen bei Spitzenbelastung und hohen Drehzahlen betrieben werden,
verursacht der höhere Ausdehnungskoeffizient des Leiters ein geringes Abheben der
Windungen der Wicklung vom Kern des Pols unter Bildung eines in der Umfangsrichtung
verlaufenden Zwischenraums. Wenn die Belastung bei weiterhin hoher Drehzahl abnimmt,
kühlt sich die Wicklung ab, und sie zieht sich wieder auf ihre normale Lage relativ
zum Kern zusammen. Da der Reibungswiderstand zwischen der obersten Windung der Wicklung
und der Isolierung des Polendes dieser Zusammenziehung entgegenwirkt, kann die Isolierschicht
zwischen den obersten Windungen der Wicklung unter den auftretenden Scherungskräften
brechen, und die obersten Windungen besitzen dann nicht die Zugfestigkeit, um von
sich aus ihre ursprüngliche Größe wieder anzunehmen, sondern sie unterliegen vielmehr
einer bleibenden Verformung. Spätere ähnliche Erhitzungen und Abkühlungen können
diese Verformung noch verstärken, bis schließlich die oberste Windung der Wicklung
über das obere Ende der Pols hinausragt, so daß dieses Polende nicht mehr länger
eine geeignete Stütze bietet. Da Asbest ein weiches Material ist, das nicht leicht
mit Schellack oder einem ähnlichen Bindemittel imprägniert werden kann, bietet es
in der Isolierung nur einen geringen Widerstand gegenüber Scherungskräften, und
es bildet bei Brüchen Gleitflächen mit nur geringer Reibung. Ferner kann Asbest
leitende Teilchen und Salze enthalten und besitzt eine gewisse Affinität für Wasser.
Das bedingt andere Probleme bezüglich elektrischer Kurzschlüsse zwischen benachbarten
Windungen der Wicklung. Bei mehrlagigen Rotorwicklungen mit großen Windungszahlen
in dynamoelektrischen Maschinen mit ausgeprägten Polen wurde bereits vorgeschlagen,
als Isolierungsmaterial ein wärmehärtbares Kunstharz als Bindemittel und Kieselsäuresand
und Glasfasern als Füllstoff zu. verwenden. Bei diesen Wicklungen treten aber die
oben geschilderten Probleme nicht auf, welche den hochkant gewickelten einlagigen
Flachdrahtwicklungen für Rotoren mit ausgeprägten Polen zu eigen sind.
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Das Ziel der Erfindung liegt darin, diese Probleme zu lösen und die
dadurch hervorgerufenen Nachteile zu beseitigen.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Zwischenräume
zwischen den einzelnen Windungen der Flachdrahtwicklung mit einem temperaturbeständigen,
festen isolierenden Polymerisationsprodukt ausgefüllt sind, welches mit den Leiteroberflächen
verhaftet i,st und eine hohe Druckfestigkeit in Verbindung mit einer ,gewissen Flexibilität
der Wärmeausdehnung über den ganzen Bereich der Betriebstemperaturen aufweist und
welches einen verhältnismäßig groben, druckfesten Füllstoff enthält, welcher dem
Polvmerisationsprodukt eine durch und durch gleichförmige, beträchtlich erhöhte
Scherfestigkeit verleiht.
Die erfindungsgemäße Isolierung besitzt
eine erhöhte Bruchfestigkeit zwischen benachbarten Windungen der Wicklung und zwischen
der obersten Windung und dem Polende. Sie ist so nachgiebig, daß sie sich mit den
Windungen ausdehnt und zusammenzieht, und hält Scherkräfte aus, welche größer sind
als die unter den ungünstigsten Betriebsbedingungen auftretenden Kräfte zwischen
den benachbarten Windungen. Dadurch wird die oben geschilderte bleibende Verformung
der Windungen vermieden und die Lebensdauer der Wicklung beträchtlich erhöht.
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Darüber hinaus besitzt dieses Isoliermaterial gegenüber dem bisher
üblichen Asbestpapier den Vorteil einer besseren Wärmeleitfähigkeit, wodurch die
thermischen Spannungen und die davon hervorgerufenen Reibungskräfte von vornherein
vermindert werden.
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Gemäß weiteren Erfindungsmerkmalen, für die im Rahmen des Gegenstandes
des Hauptanspruchs Schutz begehrt wird, ist das Polymerisationsprodukt ein wärmehärtbares,
gegebenenfalls durch geringfügige Zusätze modifiziertes Bindemittel, z. B. ein mit
einer Vinylverbindung modifiziertes Phenolharz. Der Füllstoff ist zweckmäßig ein
aus einzelnen Teilchen bestehendes Material, welches Zwischenräume zwischen den
Teilchen aufweist. in die das Bindemittel eindringt. Er kann aus wenigstens einer
Glasfasermatte bestehen, welche- mit dem Polymerisationsprodukt getränkt und in
dieses eingebettet ist, oder er kann aus voneinander unabhängigen Teilchen bestehen,
welche gleichmäßig durch das ganze Polymerisationsprodukt verteilt sind. Auch eine
Kombination dieser beiden Ausführungen ist möglich. Zur Herabsetzung der oben geschilderten
schädlichen Reibungskräfte kann schließlich noch ein Deckmaterial mit einem geringen
Reibungskoeffizienten zwischen die Wicklung und die Enden des die Wicklung tragenden
Pols eingefügt werden.
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Beispielsweise Ausführungen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
Darin zeigt Fig. 1 eine Seitenansicht eines ausgeprägten Pols mit einer Wicklung
gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, zum Teil im Schnitt, Fig.2 eine vergrößerte
Querschnittsansicht eines Windungspaares der Wicklung von Fig. 1 zur Erläuterung
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung während eines Zwischenstadiums bei
der Herstellung der Wicklung und Fig.3 und 4 vergrößerte Querschnittsansichten ähnlich
Fig.2, welche einige erfindungsgemäße Abänderungen zeigen.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird die Isolierung zwischen
den leitenden Windungen von hochkant gewickelten Feldwicklungen aus einem aus verstärkten
Textilglasfasern bestehenden filzartigen Gebilde hergestellt. welches mit einem
wärmehärtbaren vinylmodifizierten phenolischen Bindemittel imprägniert ist, das
sich beim Erhitzen unter Polymerisatiön in einen harten Feststoff umwandelt und
doch die nötige Geschmeidigkeit beibehält. um die thermischen Spannungen und die
Erschütterungskräfte auszuhalten, welchen die Wicklung ausgesetzt wird. Das Bindemittel
imprägniert den Glasfilz und verbindet ihn mit den benachbarten Windungen unter
Erzielung einer einheitlichen Wicklung mit einer Anzahl von Windungen, welche miteinander
durch eine Isolierschicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit und hoher Scherfestigkeit
verbunden sind, wobei gleichzeitig an allen Stellen ein wirksamer Abstand zwischen
benachbarten Windungen zur Verhinderunig von Kurzschlüssen gewährleistet wird. Ein
Pressen der Wicklung unter Erhitzung während ihrer Herstellung hat zur Folge, daß
die einzelnen Glasfasern etwas in die Oberflächen der Windungen des Leiters eingedrückt
werden, wodurch der Widerstand der Wicklung gegen Scherungs- oder Schubkräfte, welche
versuchen, die Verhaftung zwischen der Isolierung und benachbarten Windungen zu
brechen, stark erhöht wird, so daß man sicher sein kann, daß die Isolierung sich
mit dem Leiter ausdehnt und wieder zusammenzieht. Sollte dennoch ein Bruch durch
die Isolierung entlang einer Ebene auftreten, so erhöhen die aufeinander scheuernden
Enden der Glasfasern sehr stark den Gleitwiderstand in der Bruchebene. Zur weiteren
Erhöhung der dielektrischen Festigkeit und der Bruchsicherheit der Isolierung kann
dem Bindemittel Sand zugesetzt werden.
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Diese verbesserte Isolierung kann entweder nur auf dem obersten Teil
der Windungen einer Spule oder zwischen allen Windungen der Spule Anwendung finden.
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Fig.l zeigt einen ausgeprägten Pol 1 eines Läufers einer dynamoelektrischen
Maschine, die für hohe Drehzahlen und eine große Leistung ausgelegt ist. Der Pol
enthält einen Magnetkern 2 und Polenden 3. die als Gegenlager für die Wicklung 4
der Maschine dienen und eine radiale Bewegung der Wicklung unter der Einwirkung
der Zentrifugalkraft verhindern.
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Die Wicklung 4 ist von den Polenden 3 durch einen Isolierring 5 isoliert
und von dem Magnetkern 2 durch eine isolierende Hülle 6 getrennt.
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Die Wicklung 4 besteht aus einer Vielzahl von Windungen 7 aus einem
Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, z. B. Kupfer oder Aluminium, wobei
diese Windungen mittels einer Isolierung 8 gegeneinander isoliert sind und zusammengehalten
werden. Im Betrieb bewahrt die Wicklung 4 infolge der Isolierschichten 8 die Form
eines einheitlichen Gebildes.
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Die Isolierung 8 soll die benachbarten Windungen der Wicklung miteinander
fest verbinden und sie dennoch voneinander elektrisch isolieren. Fig. 2 zeigt eine
schematische Darstellung der Isolierschicht 8 vor dem Pressen und Aushärten, wobei
die benachbarten Windungen 7 der Wicklung 4 durch ein Bindemittel mit der Isolierschicht
verbunden sind, welches nach der Erstarrung fest bleibt und doch eine gewisse Nachgiebigkeit
besitzt, um die Ausdehnung der Windungen 7 über den ganzen Bereich der Betriebstemperaturen
aufnehmen zu können. Das Bindemittel haftet fest an den Windungen der Wicklung.
Ein für diesen Zweck geeignetes Bindemittel besteht aus einer Zusammensetzung, welche
als Hauptbestandteil ein Harz enthält, und zwar z. B, eines der handelsüblichen
Phenolformaldelydharze. ein Anilinformaldehydharz. ein anilinmodifiziertes Phenolformaldehwdharz
usw Diese Zusammensetzung kann auch als kleineren modifizierenden Bestandteil ein
Elastomeres, z. B. natürlichen oder synthetischen Kautschuk oder ein thermoplastisches
Vinylharz, enthalten, wie z. B. ein Polyvinylchloridlarz, Polyvinylacetatharz, Polyvinylalkoholharz,
Polyvinylbutyratharz usw. Eine Gruppe der hier verwendbaren Bindemittel bildet die
Klasse der im Handel als vinylmodifizierte phenolische Harze bekannten Stoffe. @'orzugsi;-eise
ist der wärmehärtbare Bestandteil in der Zusammensetzung in einem Verhältnis von
3 bis -1 Teilen auf 1 Teil des modifizierenden Bestandteiles zugegen, obwohl auch
jede Mischung. in welcher der wärinehärtbare Bestandteil überwiegt, verwendet werden
kann, da die wärmebärtbaren Bestandteile in einer solchen Zusammenetming der Isolierung
Festigkeit und Wärme-
Stabilität verleihen. Der modifizierende,
in geringerer Menge anwesende Bestandteil verleiht der Zusammensetzung Nachgiebigkeit
und Schmiegsamkeit sowie Haftfestigkeit, wodurch deren Haftung an den Leitern stark
vergrößert wird. Durch die Nachgiebigkeit der Zusammensetzung wird Gewähr dafür
geboten, daß die Isolierung sich zusammen mit der Wicklung ausdehnt und zusammenzieht,
ohne daß ihre Verbindung mit dem Leiter reißt oder bricht.
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Es sind auch Mittel vorgesehen, um das Bindemittel zur Erhöhung der
endgültigen Scherfestigkeit des Isolierungsmaterials zu verstärken. Solche Mittel
bestehen, wie Fig. 2 zeigt, aus einem Glasfaserfilz 8a, welcher mit Bindemittel
imprägniert ist. Das zur Imprägnierung der Filzmatte 8a verwendete Bindemittel kann
sowohl die größeren als auch die geringeren vorstehend beschriebenen Bestandteilsmengen
enthalten. Der in geringerer Menge anwesende Bestandteil kann jedoch auch ohne größere
Nachteile weggelassen werden. Die Hohlräume in dem Glasfilz können mit einem sehr
fein zerteilten anorganischen Füllstoff, z. B. gepulvertem Sand mit einem Teilchendurchmesser
von etwa 1 bis 3 µ,ausgefüllt werden, um die dielektrische und mechanische Festigkeit
zu erhöhen. Eine solche Füllung kann am einfachsten dadurch erfolgen, daß man das
Pulver in dem zur Imprägnierung des Glasfilzes verwendeten Bindemittel suspendiert.
Weiter sind Vorkehrungen getroffen, um einen wirksamen Abstand der benachbarten
Windungen der Wicklung zu gewährleisten, so daß eine Berührung benachbarter Windungen
7 bei Einwirkung hoher örtlicher Drücke, welche während des Pressens der Wicklung
auftreten können, vermieden wird. Obwohl der Glasfaserfilz zusätzlich auch diesem
Zweck dient, wird doch vorzugsweise ein feinzerteilter, harter, wärmeleitender,
chemisch inerter gröberer Splitt oder Füllstoff, z. B. Kieselsäuresand, in dem ganzen
Bindemittel 8b verteilt. Sand mit einer Korngröße von etwa 90 Maschen auf 2,5 cm
Sieblänge ist für diesen Zweck geeignet. 1l2 kg Sand auf 5 kg Bindemittel ergibt
eine geeignete Mischung, obwohl das Mischungsverhältnis nicht ausschlaggebend ist.
Die in Fig. 2 gezeigte Wicklung wird wie folgt hergestellt: Das Bindemittel 8 b
mit dem darin verteilten groben Füllstoff wird auf die Seiten der Windungen der
Wicklung aufgebracht und getrocknet. Die auf die geeigneter Abmessungen gebrachte
Glasfasermatte wird, wie vorstehend beschrieben, mit Bindemittel imprägniert und
zwischen benachbarte Windungen eingeschoben. Die Wicklung wird dann auf eine Temperatur
erhitzt, welche zur Härtung des Bindemittels ausreicht, und anschließend in einer
hydraulischen Presse auf ihre endgültigen Abmessungen gepreßt. Das bewirkt ein festes
und dichtes Haften des Bindemittels 8 b an den Windungen 7 und eine Verbindung der
Glasfaserfilzmatte 8a mit den Windungen. Gleichzeitig wird der grobe Sand in die
Glasfasermatte 8a eingebettet. Infolge ihrer Härte werden die Glasfasern in die
Oberfläche der Windungen 7 etwas eingedrückt, wodurch die Isolierung zusätzlich
mit den Windungen verhaftet wird. Die benachbarten Windungen 7 der Wicklung 4 werden
so mittels des festen, nachgiebigen, durch die Glasfasermatte und den Sand verstärkten
Bindemittels miteinander fest verbunden, ohne daß schwache Stellen für einen Angriff
der Scherungskräfte auftreten. Darüber hinaus sind Glas und Sand ziemlich gute Wärmeleiter,
so daß sie die Wärmeübertragung zwischen den benachbarten Windungen 7 verbessern,
wodurch eine gleichmäßigere Ausdehung und Zusammenziehung der Windungen der Wicklung
erreicht wird. Dadurch werden die Scherungskräfte, welchen die Isolierung im Betrieb
ausgesetzt ist, verringert. Eine solche Isolierschicht besitzt ferner die weiteren
Vorteile, daß sie chemisch inert und nicht absorbierend ist. Dies zusammen mit dem
Fehlen leitender Salze oder Verunreinigungen ergibt eine Wicklung, welche frei von
elektrischen Kurzschlüssen oder Kriechwegen in der Isolierung zwischen benachbarten
Windungen ist, selbst wenn die Dicke der Isolierung zwischen den einzelnen Windungen
auf ein Drittel des Wertes herabgesetzt wird, wie er bisher für eine solche Isolierung
erforderlich war.
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Die Isolierschicht 8 kann als Isolierung zwischen den einzelnen Windungen
über die ganze Länge der Wicklung verwendet werden oder auf den obersten Teil der
Wicklung beschränkt werden, wo die stärksten Scherungskräfte auf die Isolierung
ausgeübt werden.
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Fig. 3 zeigt eine Isolierschicht 9, welche aus einem nur durch Zugabe
von anorganischem, grobem Splitt, z. B. Kieselsäuresand, verstärkten Bindemittel
besteht. Der Sand ergibt einen wirksamen Abstand. zwischen benachbarten Windungen
7 und verhindert mit Sicherheit, daß diese miteinander in Berührung kommen. Darüber
hinaus dient der Sand als Verstärkung für das Bindemittel zur Erhöhung seiner Scherfestigkeit,
und im Falle des Auftretens von Brüchen oder Rissen der Isolierschicht 9 im Betrieb
bilden die Sandteilchen entlang der Rißstelle Gleitflächen mit starker Reibung.
Diese abgeänderte Wicklungskonstruktion wird vorzugsweise so hergestellt, daß man
einen kräftigen Überzug aus dem Bindemittel auf die sich einander gegenüberliegenden
Seiten der Windungen 7 aufbringt und vor dem endgültigen Erhitzen und Pressen der
Wicklung teilweise aushärtet.
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Fig. 4 zeigt eine aus einem nur durch einen Glasfaserfilz aus hochwertigen
Textilglasfasern verstärkten Bindemittel gebildete Isolierschicht 10. Die Fasern
sind zur Verstärkung der Isolierung in jeder Richtung verfilzt und gewährleisten
so nicht nur einen wirksamen Abstand zwischen den Windungen 7, sondern ergeben im
Falle eines Bruches oder Risses auch eine Gleitebene mit starker Reibung. Man wählt
Glasfasern geeigneter Größe aus, so daß sie einen ausreichenden Abstand zur Verhinderung
von Kurzschlüssen benachbarter Wicklungen ergeben. Vielfädige Textilfasern von etwa
0,25 mm Stärke können die hohen örtlichen Drücke aushalten, welche während der Herstellung
auftreten, und gleichzeitig den richtigen Abstand der Windungen gewährleisten. Zweckmäßig
werden die Hohlräume des Glasfilzes vor dem Anbringen mit einem pulverförmigen anorganischen
Füllstoff ausgefüllt, um die dielektrische und mechanische Festigkeit zu erhöhen.
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Sollte ein Riß oder Bruch infolge von Scherungskräften auftreten,
so bilden sich Gleitflächen mit hoher Reibung, welche aus einer Vielzahl rauher
Enden der gebrochenen Glasfasern bestehen. Versuche haben ergeben, daß die vorgeschlagene
Wicklung bei Verwendung von Textilglasfasern allein einen etwa sechmal so großen
Widerstand gegenüber einer relativen Bewegung entlang einer solchen Bruchfläche
besitzt wie die bisher üblichen Konstruktionen.
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Da ein Bruch der Isolierung zwischen den Windungen dann auftritt,
wenn die Reibungskraft zwischen dem Isolierring 5 und- der benachbarten Wicklungswin.dung
7 größer ist als die Bruchfestigkeit der Isolierung 8 zwischen benachbarten Windungen,
kann dtr
Reibungswiderstand zwischen der obersten Windung 7a und
dem Isolierring 5 gegebenenfalls durch einem Überzug mit geringer Reibung, z. B.
aus einem nicht korrodierenden Gleitmittel, wie Molybdändisulfid, oder durch eine
Auflage aus einem Metall, z. B. Nickel, verringert werden.