DE2256161A1 - Verfahren zur isolierung elektrischer spulen - Google Patents

Description

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fSliddastr. 52

15. November» 1972 Vo/cs.

2232-2O-TR-365

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectady, N.Y., U.S.A.

Verfahren zur Isolierung elektrischer Spulen

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf elektrische Isolationssysteme und insbesondere auf ein Verfahren zum Aufbringen einer Isolation auf eine elektrische Spüle.

Die Isolation von Spulen in dynamoelektrischen Maschinen ist ein außergewöhnliches Problem, das hinsichtlich der Produktionskosten, der Gestaltung und Leistungsfähigkeit einer Maschine kritisch ist. Die Forderung nach größenmäßiger Gleichförmigkeit, Kompaktheit und Präzision hat eine fortbestehende Notwendigkeit für die langweiligen zeitraubenden Verfahren der Handarbeit nach sich gezogen. Neben den Herstellungsverfahren machen die Aspekte der technischen Gestaltung von Maschinen Modifikationen notwendig, wenn neue Leistungsforderungen angestrebt werden.

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Glimmerbänder sind ebenso wie andere Isolierbänder ein höchst wirksames Isoliermaterial für Spulen gewesen, da sie äußerst gute dielektrische Eigenschaften aufweisen und genügend flexibel sind, um eine Umwicklung in Übereinstimmung mit der Form der Spule zu gestatten. Die Verwendung von Glimmerbändern ruft jedoch spezielle Probleme hervor, wenn sie in verschiedenen Bandschichten um die Spule herumgewickelt werden soll_en, um eine dichte, höchst kompakte Isolierstruktur zu bilden, die frei ist von Fehlstellen und die gleichförmige Abmessungen aufweist. Eine fehlstellenfreie Struktur ist erforderlich, um gleichförmige dielektrische Charakteristiken zu erzeugen; noch wichtiger aber ist, daß die Wärmeübertragungseigenschaften der Isolation gesteigert werden müssen, damit die erzeugte Wärme von der Spule abgeführt und dadurch eine höhere Maschinenleistung aufrechterhalten werden kann.

Ein bekanntes und weit verbreitet angewendetes Verfahren, das zur Lösung des Problemes angewendet worden ist, besteht in der Verwendung einer Vakuumdruck-Tränkbehandlung, um zunächst verdampfbares Material aus der Isolation zu entfernen und dann eine Durchtränkung des Isolierbandes unter Druck zu erzielen. Hierfür wurde die Spule, die mit dem Isolierband umwickelt war, in einem Vakuum angeordnet, um die verdampfbaren Substanzen zu entfernen. Anschließend wurde das Tränkmittel eingeführt und Druck angelegt, um das Mittel in die Hohl- bzw. Zwischenräume zwischen den Schichten des Isolierbandes zu drücken. Das Mittel konnte dann aushärten, um eine kompakte Isolation zu bilden.

Frühere Verfahren schlugen die Verwendung von Asphalt (Pech) für das Tränkmittel vor. Die hohe Viskosität von Asphalt gestattete eine Aushärtung während der Abkühlung, ohne daß irgendwelche merklichen Mengen des Mittels aus den Zwischen- bzw. Hohlräumen während des Aushärtverfahrens herausgelassen wurden. Die hohe

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Viskosität war jedoch auch diejenige Eigenschaft, die dazu führte, daß ein durchgreifendes Tränkverfahren verzögert wurde.

Spätere Entwicklungen führten zur Verwendung eines weniger viskosen wärmeaushärtbaren Kunstharzes anstelle von Asphalt, um eine der Vollständigkeit angenäherte Durchtränkung zu erzielen, die Temperatürbegrenzungen des Asphalts zu überwinden, eine Erweichung im Betrieb zu vermeiden und das Isolierband in einer kompakten Struktur um die Spulenwindungen herumzubinden. Die Aushärtung des Kunstharzes wird durch Erhitzen herbeigeführt, und während dieses Prozesses hatte die Eigenschaft der niedrigen Viskosität, die eine völlige Durchtränkung gestattete, auch die Folge, daß die Flüssigkeit aus der Isolation herausfließt, wodurch sie in dieser unerwünschte Fehlstellen oder Hohlräume zurückläßt.

In einer anderen bekannten Anordnung ist das verwendete konventionelle Isoliermaterial ein zusammengesetztes Glimmer- und Glasband oder ähnliches gewesen. Das Glasband absorbiert einen Teil des flüssigen Kunstharzes, aber der größte Teil davon ist zwischen den Schichten der zusammengesetzten Umwicklung verteilt und neigt dazu, während des Aushärtverfahrens herauszufließen.

Von besonderer Wichtigkeit ist diejenige Isolation, die sich unmittelbar neben den Spulenwindungen befindet, wo eine homogene Verbindung schwierig zu erhalten ist. Gerade in diesem Bereich entwickeln nsich Fehlstellen mit größter Wahrscheinlichkeit, die zu einer ernsthaften Beeinträchtigung der Wärmeabfuhr von der Spulenoberfläche führen und desgleichen ungleichförmige dielektrische Charakteristiken hervorrufen. Eine Lösung, um eine zufriedenstellende Verbindung zu erhalten, besteht in dem Spulenpreßverfahren.Die Spule ist mit einem Isolierband umwickelt, das mit einem aushärtbaren Kunstharz in einem ungehärteten Zustand getränkt ist. Diese' Kombination wird dann in einer mechanischen oder druckhaltenden Preßform angeordnet und ausgehärtet, während

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sie sich unter Druck befindet. Dieses Verfahren ist jedoch teuer und zeitraubend und somit für viele Applikationen nicht praktikabel.

Wo niedrige Spannungen auftreten, kann eine Isolation ohne einen dielektrischen Film aufgebracht werden, wie es in der US-Patentschrift 3 436 R15 beschrieben ist. Ein poröses Band wird um die Spule herumgewickelt und mit einem Kunstharz unter Vakuum getränkt, das dann zur Einkapselung der Spule ausgehärtet wird. Die permeable Umwickelung hat die Neigung, das Kunstharz festzuhalten bis die Aushärtung abgeschlossen ist, und stellt somit eine fehlstellenfreie Isolation sicher, die Wärme gut leitet, die aber nicht die dielektrischen Eigenschaften aufweist, um hohen Spannungen zu widerstehen.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Isolation für Spulen von dynamoelektrischen Maschinen zu schaffen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung beinhaltet die Erzeugung einer Spulenisolation, die verbesserte WärmeUbertragungseigenschaften und desgleichen verbesserte dielektrische Charakteristiken aufweist.

Weiterhin soll eine Spulenisolation mit verbesserten feuchtigkeitsbeständigen Eigenschaften geschaffen werden.

Ferner sollen die Zwischenräume zwischen den dielektrischen Schichten einer Spulenisolation mit einem homogenen wärmeleitenden Mittel gefüllt werden.

Weiterhin soll eine Lösung dafür gefunden werden, daß ein flüssiges Kunstharz zwischen den Schichten eines Dielektrikums während des Avishärtverfahrens des Kunstharzes festgehalten .wird.

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Außerdem soll eine Isolation mit den Windungsoberflächen einer Spule verbunden werden, um die Bildung von Hohl~ bzw. Zwischenräumen dazwischen zu verhindern.

Schließlich ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nennleistung einer dynamoelektrischen Maschine durch ein verbessertes Verfahren zum Aufbringen einer Isolation auf die Spulen zu erhöhen. Dabei soll ein Verfahren zur Isolierung elektrischer Spulen geschaffen werden, das einfach, Awirtschaftlich und äußerst wirksam ist.

Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren zum Aufbringen einer Isolation auf die Spulen dynamoelektrischer Maschinen gerichtet, um einen gleichförmigen fehlstellenfreien Dielektrikumsüberzug zu erhalten, der in der Spule erzeugte Wärme frei abführt. Das Verfahren beinhaltet, daß die Spulenwindungen mit abwechselnden Schichten aus aufsaugendem Band und dielektrischem Band schraubenförmig umwickelt werden, die Umwicklungen erhitzt werden, um verdampfbare Substanzen aus ihnen herauszutreiben, die Umwickelungen unter Vakuumdruck mit einer Kunstharzflüssigkeit getränkt werden, um das aufsaugende Band zu durchdringen, und die Kunstharzflüssigkeit durch Erhitzen ausgehärtet wird. Die durchsetzten Schichten aus absorbierendem Band haben die Neigung, das flüssige Kunstharz aufzusaugen und festzuhalten bis es aushärtet, wodurch die Bildung von Luftblasen zwischen den Schichten des dielektrischen Bandes unterbunden und ein homogenes Medium für die Übertragung von Wärme geschaffen wird.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen eines bevorzugten und eines abgewandelten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht; des bevorzugten Ausführungsbeispieles, wobei aufeinanderfolgende Schichten aufgebrochen dargestellt sind, um die Struktur besser zu zeigen.

Fig. 2 ist ein Flußbild für das Verfahren und zeigt die aufeinanderfolgenden Schritte gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 3 ist eine Querschnitte nsicht von dem Wickelband des modifizierten Ausführungsbeispieles.

Fig. 4 ist eine Querschnitt^ nsicht von der Spule und der Umwickelung vor der Durchtränkung.

Fig. 1 zeigt eine isolierte Spule 11 mit einem leitendem Medium, das aus einer Vielzahl von Windungen 11 gebildet wird, und mit Leitern 12 und 13, die für einen geeigneten Anschluß zur Verfügung stehen, nachdem die Spule in die dynamoelektrische Maschine eingesetzt worden ist. Die Spule kann entweder von der formgewickelten (wie sie in Fig. 1 gezeigt ist) oder von der zufällig gewickelten Art sein. Der bestimmte Einbau begrenzt die Erfindung ebenfalls nicht, da sie für Spulen angepaßt werden kann, die in Motoren, Generatoren, Reaktoren oder irgendeiner anderen Maschine verwendet werden, die die Isolierung einer elektrischen Spule erforderlich macht.

Es ist allgemeine Praxis, ein Dichtmittel, wie z.B. eine Füllmasse bzw. Kitt oder ähnliches, an solchen Stellen auf die Spulenwindungen aufzubringen, wo die Oberfläche nicht glatt ist, wie es beispielsweise zwischen den Windungen und an den Biegungen in der Spule der Fall ist. Diese Praxis wird angewendet, um den Luftpolsterraum zu verkleinern, der daraus resultiert, daß die Isolation nicht eng an der Spulenoberfläche anhaftet.

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Ein absorbierendes bzw. aufsaugendes Band 14 ist, vorzugsweise in einer schraubenförmigen Anordnung, zusammenhängend um die Spule herumgewickelt, um so die Spule außer den Leitern 12 und 13 vollständig zu umschließen. Eine doppelschichtige Umwickelung kann an diesem Punkt wünschenswert sein, um eine ausreichende Verbindung mit der Spule herzustellen, wenn das Kunstharz in der im folgenden zu beschreibenden Weise eingeführt wird. Das saugfähige Band kann aus irgendeinem einer Anzahl unterschiedlicher Materialien mit hochporösen Eigenschaften gebildet sein, aber es sollte vorzugsweise ein Material sein, das bei hohen Temperaturen beständig ist. Besonders geeignet ist ein nicht gewobenes faserförmiges Material mit einer filzartigen Zusammensetzung, wie z.B. das kommerziell verfügbare Webrill, das aus Nomexfasern hergestellt ist.

Das saugfähige Band berührend ist eine Schicht aus Filmisolation aufgetragen, wie z.B. ein dielektrisches Band 16, das schraubenförmig gewickelt ist, um das saugfähige Band vollständig einzuschließen. Es sei bemerkt, daß das Wort Band im weitesten Sinne verwendet ist, um ein dünnes, flexibles Band zu bezeichnen. Es kann in einem variablen Breitenbereich vorliegen. Der Sinn der schraubenförmigen Aufbringung besteht darin, die innere Struktur vollständig einzuschließen und trotzdem zu gestatten, daß eine Kunstharzflüssigkeit durch die Ummantelung eingeführt wird.

Die Filmisolation kann von irgendeinem der flexiblen dielektrischen Materialien gebildet werden, wie z.B. Glimmerband oder ähnliches. Wiederum sollte das Material vorzugsweise bei hohen Temperaturen beständig sein und seine dielektrische Festigkeit sollte von der speziellen Mäschinenapplikation abhängig sein. Ein besonders geeignetes Material für diesen Zweck ist eine synthetische Fil'misolation mit dem Handelsnamen Kapton.

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IJber der dielektrischen Schicht 16 ist e.ine zweite aufsaugende Bnndschicht 17 angeordnet, der eine zweite dielektrische Schicht 18 folgt. Es kann jede Anzahl abwechselnder Schichten aufgebracht werden, wrs von dem zur Verfügung stehenden Raum und der in der Isolation gewünschten dielektrischen Festigkeit abhängt. Eine Endschicht aus Glasband 19 kann als eine äußere Ummantelung für den mechanischen Schutz der Isolation während der Benutzung aufgebracht werden.

Das Umwickelungsverfahren, dessen Ergebnis in Fig. 1 gezeigt ist, kann entweder maschinell oder manuell durchgeführt werden. Fig.2 zeigt die aufeinanderfolgenden Schritte, die zur Durchführung des Verfahrens erfolgen. Die umwickelten Spulen können einzeln behandelt oder in ihre entsprechende Komponente eingebaut werden, wobei dann die Komponente den entsprechenden Bedingungen zur Beendigung des Verfahrens ausgesetzt wird. Beispielsweise können im Falle von Motorfeldspulen die Spulen in den Stator eingebaut werden, und der Stator mit seiner Vielzahl von Spulen wird dann durch die verbleibenden Phasen des Verfahrens geführt.

Die der Umwickelung folgenden Schritte sind im wesentlichen die gleichen, wie sie allgemein bekannt und in der US-Patentschrift 2 656 290 beschrieben sind. Die umwickelte Wicklung wird erhitzt, um irgendwelche Feuchtigkeit oder verdampfbare Substanzen zu entfernen, die in der Wicklung vorhanden sein können. Sie wird dann abgekühlt, was aber nicht erforderlich ist, bevor sie in einem Vakuumtränktank angeordnet wird, in dem ein Vakuum hergestellt wird, um Gase aus der Umwickelung zu entfernen. Die Wicklung wird dann mit einem flüssigen Kunstharz getränkt, unter Druck gesetzt, um die Durchtränkung zu unterstützen, und dann wird das Kunstharz durch Erhitzen zu einer festen Zusammensetzung ausgehärtet.

Das in dem Verfahren verwendete tränkende Kunstharz kann von jeder flüssigen Zusammensetzung gebildet werden, die beim Erhitzen

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auf eine vorbestimmte Temperatur zu einem relativ harten Kunstharzkörper polymerisiert. Ein Kunstharz, wie z.B. Lack oder ähnliches, wird bevorzugt und insbesondere ein Lacküberzug, der von Lösungsmitteln im wesentlichen frei ist oder als im wesentlichen 100%-ig reaktiv betrachtet wird.

Besonders an dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, daß während der Tränkungsphase das flüssige Kunstharz durch die Kapillarwirkung des hochpermeablen saugfähigen Bandes absorbiert wird, was zu einer Expansion des Bandes führt, um die Hohl- bzw. Zwischenräume besser auszufüllen, die zwischen den dielektrischen Schichten und zwischen den leitenden Windungen der Spule und der umgebenden Isolation bestehen. Das saugfähige Band hat die Neigung, das flüssige Kunstharz nach der Tränkung festzuhalten und es daran zu hindern, während des nachfolgenden Aushärtverfahrens herauszufließen. Die dabei entstehende Zusammensetzung ist eine feste fehlstellenfreie Isolation, die aus abwechselnden Schichten eines Dielektrikums und einem zusammengesetzten Kunstharz- und Fasermaterial gebildet ist. Diese im wesentlichen homogene Zusammensetzung wirkt, abgesehen davon, daß sie ein exzellenter Wärmeleiter für die Wärmeabfuhr aus der Spule ist, auch als ein Dielektrikum, um den dazwischen eingefügten Isolationsfilm zu verstärken. Darüber hinaus bildet diese Zusammensetzung eine exzellente Isolation/ Leiter-Verbindung in dem die Spule unmittelbar umgebenden Bereich, ohne daß das Formpreßverfahren angewendet wird.

Eine weitere Ausgestaltung des vorstehend beschriebenen Verfahrens führt zu der im wesentlichen gleichen Isolationsstruktur, kann aber zu Einsparungen in Zeit und Kosten führen. Wie in Verbindung mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, werden abwechselnde Schichten aus saugfähigem Band und dielektrischem Band der Reihe nach auf die Spule aufgebracht. Ein alternatives Verfahren gestattet die verbundene Aufbringung durch die Verwendung eines zusammengesetzten Bandes 21, das in Fig. 3

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dargestellt ist. Das zusammengesetzte Band enthält abwechselnde Schichten aus saugfähigem Material 22 und dielektrischem Film 23, die durch ein Klebemittel 24 miteinander verbunden sind. Fig. 3 zeigt eine Zusammensetzung von einer Schicht aus jedem Material; es sei jedoch bemerkt, daß jede angemessene Zahl von abwechselnden Schichten zur Ausbildung der Zusammensetzung zu einer Einheit verbunden werden können, die anschließend in einer schraubenförmigen Anordnung auf die Spule aufgebracht wird.

Fig. 4 zeigt eine Spule, die mit zwei Schichten aus dem zusammengesetzten Band umwickelt worden ist, das die modifizierten Ausführungsbeispiel« charakterisiert. Die Räume, in denen leicht Fehlstellen während der Aushärtungsverfahren nach der Tränkung gebildet werden können, sind bei 26 dargestellt, wobei die Dicke dieser Räume zu Darstellungszwecken vergrößert worden sind. Während des Tränkungsverfahrens werden die Schichten aus absorbierendem bzw. saugfähigem Band 22 durchdrungen und müssen sich dabei in den Raum 26 ausdehnen, wo es das flüssige Kunstharz während des anschließenden Härtungsverfahrens festhält. Die Schicht aus Glasband 19 ist relativ nichtaufsaugend, sie gestattet jedoch, daß das flüssige Kunstharz in die Isolationsstruktur eindringt .

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Claims (10)

1. Patentansprüche

   Verfahren zum Aufbringen einer Isolation auf elektrische Spulen, die gute Wärmeübertragungseigenschaften aufweist; dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Spule (10) gebildet wird, die Spule (10) mit einer Vielzahl abwechselnder Schichten aus einem saugfähigen Band (14, 17) und einem dielektrischen Band (16, IR) schraubenförmig umwickelt wird, diese gesamte Anordnung erhitzt, um Feuchtigkeit herauszutreiben, und unter Vakuumdruck mit einer Kunstharzflüssigkeit getränkt wird, derart, daß die Flüssigkeit durch die aufgebrachten BandUmwicklungen hindurchdringt, damit sie das saugfähige Band (14, 17) durchsetzt ■ und ausdehnt, und die aufgebrachte Kunstha^zflüssigkeit in einen festen Zustand ausgehärtet wird, wodurch ein im wesentlichen homogenes festes Medium zwischen benachbarten Schichten des Dielektrikums ausgebildet wird und die Wärmeübertragungseigenschaften der Isolation verbessert werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet , daß die Kunstharzflüssigkeit im wesentlichen lösungsmittellos ist, wodurch eine Verdampfung während des Aushärtverfahrens verhindert wird, so daß eine im wesentlichen fehlstellenfreie Isolation sichergestellt wird und ferner das ausgehärtete Kunstharzmaterial die dielektrische Festigkeit der Isolation erhöht.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennze lehnet , daß das saugfähige Band aus einem bei hohen Temperaturen beständigen, nicht gewobenen faserartigen Material gebildet wird.

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4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn-ζ e 1 c h η e t , daß das dielektrische Band aus einem Hochtemperatürfilm gebildet wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ,daß über die Vielzähl abwechselnder Umwicklungen vor deren Erhitzung ein Glasband (19) schraubenförmig herumgewickelt wird, wodurch die eingeschlossene Isolation mechanisch geschützt wird.
6. 6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5 zum Aufbringen einer Isolation mit guten Wärmeubertragungseigenschaften auf eine elektrische Spule, dadurch gekennzeichnet , daß eine elektrische Spule gebildet wird, ein geschichtetes Isolierband (21) aus wenigstens zwei Schichten hergestellt wird, in dem abwechselnde Schichten aus einem saugfähigen Material (22) und einem Dielektrikum (23) zu einer Einheit zusammengefaßt werden, die Spule mit dem geschichteten Isolierband schraubenförmig umwickelt wird, diese gesamte Anordnung erhitzt, um Feuchtigkeit herauszutreiben, und unter Vakuumdruck mit einer Kunstharzflüssigkeit getränkt wird, damit die Flüssigkeit durch die aufgebrachte Bandumwickelung hindurchdringt und das saugfähige Material durchsetzt und ausdehnt, und die Kunstharzflüssigkeit in einen festen Zustand ausgehärtet wird, wodurch ein im wesentlichen homogenes festes Medium zwischen benachbarten Schichten des Dielektrikums gebildet wird, um die Wärmeübertragungseigenschaften der Isolation zu verbessern.
7. 7. Spulenisolation mit guten WärmeUbertragungseigenschaften, gekennzeichnet durch abwechselnde Schien·

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   ten von um eine Spule (10) herumgewickelten saugfähigen und dielektrischen Bändern (14, 16 - 18).und ein festes Kunstharz, mit dem das saugfähige Band vollständig getränkt ist, so daß ein im wesentlichen homogenes festes Medium zwischen benachbarten Schichten des dielektrischen Bandes gebildet ist, derart, daß Wärme leicht von der Spule nach außen abführbar ist.
8. 8. Spulenisolation nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das feste Kunstharz aus einem im wesentlichen lösungsmittellosen flüssigen Lack gebildet ist.
9. 9. Spulenisolation nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das saugfähige Band aus einem bei hohen Temperaturen beständigen, nicht gewobenen faserartigen Material gebildet ist.
10. 10. Spulenisolation nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß das dielektrische Band aus einem Hochtemperaturfilm gebildet ist.

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