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Die Erfindung betrifft Verschlusskeile zum Einsetzen in die Keilnuten von Elektromotoren oder Stromgeneratoren.
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Rotor und Stator eines Elektromotors umfassen durch Nuten voneinander getrennte Polschuhe, zwischen denen Spulenwicklungen, meist aus Kupferdraht, verlaufen. Nicht nur, aber vor allem Stabilisierung des Systems gegen Vibrationen werden diese Nuten nach dem Einführen der Spulenwicklungen mit Verschlusskeilen wieder verschlossen.
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Diese Verschlusskeile werden heutzutage zumeist aus Kunststoffen, vor allem aus glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFKs) gefertigt, wobei sich einerseits ein Schichtaufbau und andererseits eine Füllung mit magnetischen Materialien, wie z.B. Eisenpulver, bewährt haben. Letztere dient dazu, dem Keil magnetische Eigenschaften zu verleihen. Dadurch werden der Anlaufstrom, cos φ, und der Laststrom verbessert sowie die Eisenverluste verringert, was zu einer geringeren Wärmeentwicklung führt. Hergestellt werden die Keile zumeist durch Fräsen aus Verbundplatten.
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Die Querschnittsform der Verschlusskeile ist genau an jene der Nuten anzupassen, um einen möglichst stabilen Sitz in der Nut sicherzustellen. In 1 sind einige bekannte Querschnittsformen dargestellt. Der Grund warum zumeist an den Rändern trapezförmige Formen gewählt werden, liegt darin, dass solche Keile auch bei Toleranzüberschreitung guten Sitz in der Nut finden, da sie je nach Dimension höher oder niedriger im Nutzahn zu liegen kommen und mit der Flanke immer am Nutzahn anliegen. Doppelflankige Keile, wie z.B. in den 1b, 1d und 1f dargestellt, kommen üblicherweise zum Einsatz, wenn die Stege zwischen den Nuten so schmal sind, dass ein Trapez die Struktur als Ganzes, insbesondere die Stabilität des Nutzahns, zu stark schwächen würde. Die Vermeidung von Spitzen, z.B. durch Abrundung oder Abflachung, verbessert hingegen die elektrischen und magnetischen Eigenschaften, da auf diese Weise allzu hohe Felddichten an diesen Stellen vermieden werden.
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Nachteile aller bekannten Ausführungsformen bestehen unter anderem darin, dass bei einem zu hohen Gehalt an magnetischer Füllung, z.B. Eisengehalt, zwar die elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Keils verbessert sind, die mechanische Festigkeit jedoch stark abnimmt. Beispielsweise kommt es bei Keilen mit Schichtaufbau zur Delamination der einzelnen Schichten, was zum Aufbrechen des Keils und in der Folge zu Motorversagen führen kann. Zwischen Spule und magnetischem Keil befinden sich manchmal ein oder mehrere Spacer, die bei der Tränkung des Motors bzw. Generators aber nicht immer vollkommen vom Tränkharz benetzt werden. Dadurch ist die Verklebung nicht immer vollständig, sondern es gibt Stellen mit geringer Verklebung, wo der Keil folglich etwas lockerer sitzt und sich durch die ständige mechanische und magnetische Belastung weiter lockern kann, bis er sich so stark bewegen kann, dass Delamination auftritt.
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Ziel der Erfindung war daher die Bereitstellung von Verschlusskeilen, mit denen die obigen Probleme zumindest teilweise gelöst werden können.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Dieses Ziel erreicht die Erfindung durch Bereitstellung eines Verschlusskeils zum Einsetzen in eine Keilnut eines Elektromotors oder Stromgenerators, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er an seiner Innen- und/oder Außenseite einen Sockel aufweist.
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Unter einem Sockel ist hierin ein Fortsatz des Keils zu verstehen, der eine geringere Breite als die Maximalbreite des Keils aufweist und der in die Nut bzw. in den Luftspalt darüber hineinragt. Die Maximalbreite des Keils entspricht dabei dem maximalen Abstand zwischen den Nutzähnen, in die der jeweilige Keil eingesetzt werden soll.
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Durch Versehen eines Verschlusskeils mit solchen erfindungsgemäßen Sockeln wird der Keil gegen Verkippen gesichert und dessen Sitz in der Nut stabilisiert, wofür sich vor allem ein der Innenseite vorgesehener, d.h. in die Nut ragender Sockel eignet. Ein an der Außenseite des Keils vorgesehener, d.h. bis zum Luftspalt ragender Sockel erleichtert darüber hinaus die Wärmeabfuhr nach außen. Ein innenliegender Sockel kann darüber hinaus selbst als zuvor beschriebener „Spacer“ dienen, wodurch ein solcher überflüssig wird - insbesondere, wenn mehrere Spacer zum Einsatz kommen.
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Die Dimensionen der Sockel sind - abgesehen von ihrer Breite, die im Wesentlichen jener der Nut an der jeweiligen Stelle entsprechen sollte - nicht speziell eingeschränkt, und ein einschlägiger Fachmann kann ohne übermäßiges Experimentieren leicht das Optimum zwischen Material- und Herstellungskosten eines erfindungsgemäßen gesockelten Verschlusskeils und dem dadurch erzielbaren Nutzen ermitteln.
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Die Begrenzung der Höhe der Sockel ergibt sich für innenliegende Sockel aus der Tiefe der Nut und für außenliegende Sockel aus der Höhe bis zum Luftspalt. Die Seitenwände der Sockel sind vorzugsweise an den jeweiligen Verlauf der Nut angepasst.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Keil selbst, ohne den/die Sockel, um eine zentrale Ebene spiegelsymmetrisch, d.h. die Stellen maximaler Breite an den Rändern des Verschlusskeils liegen im Wesentlichen auf einer horizontalen Ebene bzw. auf derselben Höhe, vom untersten Punkt des Verschlusskeils - mit oder ohne unteren Sockel - aus gesehen. Das hat den Vorteil, dass die Einpassung in die Keilnuten, die üblicherweise in derselben radialen Entfernung vom Mittelpunkt des Motors liegen, einfacher zu bewerkstelligen ist und der Keil spannungsfreier in den Nuten sitzt. Vorzugsweise ist aus demselben Grund auch der gesamte Verschlusskeil, d.h. einschließlich des erfindungsgemäßen oberen und/oder unteren Sockels, um eine zentrale Ebene spiegelsymmetrisch, die Sockel können aber in Spezialfällen auch asymmetrisch geformt sein.
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In weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist der erfindungsgemäße Verschlusskeil mit dem oder den Sockel(n) einstückig verbunden, was die Stabilität erhöht, die Wärmeleitfähigkeit verbessert und die Herstellung vereinfacht, da der Verschlusskeil aus einem Stück gefertigt werden kann.
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Zur Verbesserung der elektrischen und magnetischen Eigenschaften durch Verringerung der Felddichte, wie oben erwähnt, sind die Ecken des oder der Sockel(s) vorzugsweise abgerundet oder abgeflacht.
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Der erfindungsgemäße Verschlusskeil besteht vorzugsweise aus einem glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK), so dass herkömmliche Ausgangsmaterialien zur Herstellung der neuen Verschlusskeile einsetzbar sind. Besonders bevorzugt besteht der Verschlusskeil der Erfindung aus einem magnetischen Material, insbesondere aus einem mit Eisenpulver gefüllten GFK. Derartige Ausführungsformen besitzen spezielle Vorteile, nämlich dass durch die Gegenwart von zusätzlichem magnetischem Material in der Nut die elektrischen Eigenschaften verbessert werden, so dass durch besseren Wirkungsgrad und geringere Eisenverluste die Erwärmung der Maschine geringer ist. Des weiteren besitzt dieses magnetische Material eine bessere Wärmeleitfähigkeit und verbessert dadurch die Ableitung der Wärme, wenn es anstatt eines oder mehrerer Spacer die Nut auffüllt, was die Erwärmung der Maschine weiter verringert.
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In anderen bevorzugten Ausführungsformen weisen erfindungsgemäße Verschlusskeile in Längsrichtung vorgesehene und als Lüftungsschlitze dienende Vertiefungen, z.B. Nuten oder Rillen, auf, wodurch die Wärmeableitung verbessert wird. Diese Lüftungsschlitze können beispielsweise durch Fräsen oder Pressen im Keil angebracht werden.
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Darüber hinaus kann der Verschlusskeil der Erfindung zumindest teilweise mit einem isolierenden Material überzogen sein. Dieses Isoliermaterial kann auf beliebige Weise aufgebracht werden, z.B. durch Spritz-, Tauch- oder Streichbeschichtung oder Verklebung. Vorzugsweise wird das Isoliermaterial auf den Verschlusskeil aufkaschiert. Als Isoliermaterial kommen sämtliche für diesen Zweck bekannten Materialien infrage. Beispiele sind Polyethylen-Filze oder -Vliese, Aramide (z.B. Nomex®) oder auch auf anorganischem Material basierende Produkte (z.B. TufQUIN®-Laminate).
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Nachstehend wird die Erfindung anhand von konkreten Ausführungsbeispielen beschrieben, die lediglich als Illustration, nicht aber als Einschränkung zu verstehen sind. Dabei wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen Folgendes dargestellt ist.
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Figurenliste
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- 1 zeigt einige herkömmliche Querschnittsformen von Verschlusskeilen nach dem Stand der Technik.
- 2 zeigt Beispiele für die Querschnittsform erfindungsgemäßer Verschlusskeile.
- 3 zeigt Beispiele für die Form von optionalen Lüftungsschlitzen.
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DETAILLIERTE BESCHEIBUNG DER ERFINDUNG
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Zwei Beispiele für einen erfindungsgemäßen Verschlusskeil sind in 2 dargestellt. 2a zeigt einen Verschlusskeil 1 mit einem innenliegenden Sockel 2, d.h. der Sockel 2 erstreckt sich bei Verwendung des Keils zum Boden der Nut hin. 2b zeigt eine Ausführungsform mit zwei Sockeln, nämlich einem Sockel 2 an der Innenseite und einem Sockel 3 an der Außenseite.
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Mit Bezugszeichen 1 ist jeweils der „Kern“ des Verschlusskeils, d.h. der entsprechende Verschlusskeil ohne Sockel, bezeichnet. Dieser entspricht bei den in 2 gezeigten Ausführungsformen dem Keil nach dem Stand der Technik aus 1d, also einem doppelflankigen Keil mit abgeflachten seitlichen Spitzen.
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Es sind jedoch nicht nur alle in 1 gezeigten Querschnittsformen, sondern auch beliebige andere Keilprofile mit einem oder zwei erfindungsgemäßen Sockeln ausrüstbar.
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Wie bereits zuvor erwähnt sind sämtliche Ecken der erfindungsgemäßen neuen Verschlusskeile vorzugsweise abgerundet (in 2 nicht dargestellt), um die Felddichte zu verringern.
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In 3 sind zwei Beispiele für optionale Lüftungsschlitze in den erfindungsgemäßen Verschlusskeilen dargestellt, wobei in 3a eine eckige und 3b eine runde Ausführungsform der Lüftungsschlitze zeigt. Diese verbessern, wie erwähnt, die Wärmeableitung und können in den Verschlusskeil eingepresst oder eingefräst werden. Davon wird Pressen bevorzugt, da auf diese Weise keine scharfkantigen Ecken erzeugt werden und bei Verwendung von GFKs als Ausgangsmaterial das Glasgewebe nicht beschädigt wird, so dass die Festigkeit des Keils im Wesentlichen jener ohne Luftschlitz entspricht.
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Die Herstellung der erfindungsgemäßen gesockelten Verschlusskeile kann durch ein beliebiges Formgebungsverfahren erfolgen, beispielsweise durch herkömmliches Fräsen aus Blöcken, vorzugsweise aus glasfaserverstärktem Kunstharz, insbesondere Epoxidharz, das gegebenenfalls einen oder mehrere übliche Füllstoffen enthält.
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Konkret wurden die in 2 dargestellten gesockelten Verschlusskeile der Erfindung hergestellt und mit dem deren Kern entsprechenden Verschlusskeil ohne Sockel, wie in 1d dargestellt, verglichen. Auch ohne großen Messaufwand war leicht festzustellen, dass selbst mit großem Kraftaufwand ein gewolltes Verkippen des Keils nicht mehr möglich ist. Beim herkömmlichen Keil ohne Sockel war hingegen (im nichtimprägnierten Zustand) bei Vollführung einer Kippbewegung ein leichtes Spiel festzustellen, das bei einem mit diesem Keil ausgestatten Motor oder Generator im Dauerbetrieb zu den eingangs beschriebenen Erscheinungen und schlimmstenfalls zum Ausfall der Maschine führen könnte.
