DE29716626U1

DE29716626U1 - Isolationskomponente für eine Wicklung einer elektrischen Maschine sowie elektrische Maschine mit einer Isolationskomponente

Info

Publication number: DE29716626U1
Application number: DE29716626U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-10-10
Filing date: 1997-09-16
Publication date: 1997-12-04
Anticipated expiration: 2007-09-17

Description

GR 96 G 3864 DE , .. .·*..".

Beschreibung

Isolationskomponente für eine Wicklung einer elektrischen Maschine sowie elektrische Maschine mit einer Isolationskomponente

Die Erfindung betrifft eine Isolationskomponente für eine Wicklung einer elektrischen Maschine sowie eine elektrische Maschine, insbesondere einen Turbogenerator mit einer zwisehen zwei elektrischen Leitern, die jeweils mindestens zwei Teilleiter aufweisen, angeordneten Isolationskomponente.

In der WO 92/20140 Al ist ein elektrischer Leiter mit einer Längsrichtung und einer Stapelrichtung senkrecht zur Längsrichtung beschrieben, der mit einer Mehrzahl gleichartiger Leiter in der Stapelrichtung gestapelt ist, wobei zwischen jeweils zwei Leitern zumindest eine Isolierschicht eingefügt ist. Dieser elektrische Leiter weist, in Längsrichtung gesehen, Schlitze auf, die mit entsprechenden Schlitzen gestapelter elektrischer Leiter und Schlitzen der Isolierschicht zumindest teilweise zur Überlappung gebracht sind. Durch die gestapelten elektrischen Leiter mit dazwischen angeordneten Isolierschichten sind in Stapelrichtung .verlaufende Kühlkanäle für Kühlgas, insbesondere Luft oder Wasserstoff, gebildet. Bei der Herstellung der Schlitze in den elektrischen Leitern durch Stanzen oder Fräsen entstehen unter anderem scharfe Kanten, durch die eine unerwünschte elektrische Verbindung zwischen benachbarten elektrischen Leitern und somit Kurzschlüsse entstehen könnten. Diese unerwünschten elektrisehen Verbindungen sind gemäß der WO 92/20140 Al dadurch vermieden, daß die Schlitze in einer in Längsrichtung verlaufenden Nut des elektrischen Leiters eingebracht werden. Hierdurch ist bei einer Stapelung ein Zwischenraum zwischen der Mündung eines Schlitzes mit ggf. scharfer Kante und einer darüber gestapelten Isolierschicht und einem darauf angeordneten weiteren elektrischen Leiter hergestellt. Eine Nachbearbeitung der Schlitze, beispielsweise durch Entgraten, Ab-

GR 96 G 3864 DE

runden oder Abschrägen, und dem damit verbundenen erhöhten Arbeitsaufwand wird somit vermieden. Aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten sowie möglicherweise vorhandener hygroskopischer Eigenschaften der Isolierschicht kann es zu einem zumindest teilweisen Verschluß der Schlitze durch die Isolierschicht kommen. Hierdurch wird einerseits der Strömungsquerschnitt der Schlitze sowie andererseits durch an Kanten auftretende Wirbel- und Ablöseerscheinungen der Strömungswiderstand in den Kühlkanälen vergrößert, so daß insgesamt eine geringere Kühlung erreichbar ist. Die Kühlung einer elektrischen Großmaschine kann dadurch unerwünschterweise verringert werden, was im ungünstigsten Fall zu einer nicht ausreichenden Kühlung führt.

In der DE-AS 12 42 744 sind in nutenförmigen Einfräsungen eines Teilleiters einer Rotorwicklung einer elektrischen Maschine spezielle Paßstücke eingelegt, die eine äußerst verlustarme Radialströmung eines Kühlgases gewährleisten sollen. Zur Verbesserung der Isolation und Vermeidung von unerwünschten elektrischen Übergängen ist zwischen zwei aufeinandergestapelte Teilleiter jeweils eine Isolierschicht eingebracht, die über die Nut hinausragt und auf einem jeweiligen Paßstück aufliegt. Hierdurch ist zwar eine unerwünschte Reduzierung des Kühlgasstromes vermieden, was allerdings mit einem erhöhten Aufwand an Material und einem erhöhten Herstellungsaufwand verbunden ist.

In der DE 35 28 492 Al ist ein Verfahren zum Schutz elektrischer Bauteile angegeben, die Drahtwicklungen aufweisen, d.h.

0 Bauteile kleinster elektrischer Leistung. Bei dem Verfahren wird eine duroplastische Harzschicht mit einem Beschichtungspulver auf Epoxidharzbasis aufgebracht, mit dem Ziel, die Drahtwicklungen zu einer mechanischen Einheit zu verbinden. Das Beschichtungspulver hat in der Verlaufsphase eine solche Viskosität, daß es zwischen die einzelnen Drahtwicklungen eindringt und diese wie ein flüssiger Kunstharz fest miteinander verbindet und somit eine Imprägnierung bewerkstelligt.

GR 96 G 3864 DE . ·· .'*..**. .**&diams;***<

Auf die mittels des Epoxidharzes miteinander verbundenen Drahtwicklungen wird eine zweite Schicht zum Schutz gegen Nässe und salzhaltiger Atmosphären aufgebracht. Diese zweite Schicht umschließt das gesamte Wicklungspaket und bewirkt einen guten Abrasionsschutz sowie einen mechanischen Schutz gegen Staub und Abrieb. Darüber hinaus bewirkt die zweite Schicht einen zusätzlichen mechanischen Zusammenhalt der Wicklung sowie einen zusätzlichen Schutz gegen Feuchtigkeit.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Isolationskomponente für eine Wicklung einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Großmaschine, anzugeben, welche eine hohe Abriebsfestigkeit aufweist. Weitere Aufgaben der Erfindung liegt in der Angabe einer elektrischen Großmaschine mit einer abriebsfesten Isolationskomponente zwischen zwei elektrisch leitfähigen Komponenten.

Erfindungsgemäß wird die auf eine Isolationskomponente gerichtete Aufgabe dadurch gelöst, daß die Isolationskomponente eine Reibschutzschicht aus einem ausgehärteten Pulverlack aufweist. Eine solche Isolationskomponente eignet sich für die Verwendung sowohl in einem Läufer als auch in einem Ständer einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Großmaschine, beispielsweise einem gasgekühlten Turbogenerator im Leistungsbereich von 20 MVA bis zu über 400 MVA. Durch die Reibschutzschicht wird insbesondere bei einer Relativbewegung zwischen einer elektrisch leitfähigen Komponente, beispielsweise einem aus Kupfer bestehenden Leiter des Läufers oder Ständers einer elektrischen Großmaschine, gegenüber 0 der Isolationskomponente und/oder einer weiteren elektrisch leitfähigen Komponente vermieden. Ein Abrieb des Isolationsmaterials, beispielsweise einem Glasfasergewebe, welches durch ein Harz verfestigt ist, und/oder ein Abrieb des Kupfers könnte ansonsten zu einer elektrisch leitfähigen Schicht führen, was zu einem Versagen der Isolation und somit zum Ausfall des Generators führen könnte. Die Reibschutzschicht der Isolationskomponente verfügt nicht nur über eine hohe

GR 96 G 3854 DE . .. »· ··. ."·*"

• ·

Reibbeständigkeit, sondern beispielsweise auch über eine hohe Temperaturbeständigkeit bis zu einer -Temperatur von etwa 18 C, einem geringen Herstellungspreis und einer hohen Rückgewinnungsrate des überschüssigen, nicht ausgehärteten Pulverlacks. Der Pulverlack kann zudem maßlich exakt aufgetragen werden, so daß über eine lange Einsatzdauer hinweg auch eine Formstabilität der Isolationskomponente in einer elektrischen Maschine gewährleistet. Selbst Isolationskomponenten mit komplizierter Geometrie lassen sich an ihrer gesamten Oberfläche einfach und in großtechnischem Maßstabe mit der Reibschutzschicht aus Pulverlack beschichten oder aus einer Reibschutzschicht herstellen. Zudem haftet die Reibschutzschicht langzeitstabil an der Isolationskomponente und/oder einem elektrischen Leiter.

Die Schichtdicke der Reibschutzschicht beträgt vorzugsweise zwischen 40 &mgr;&tgr;&eegr; bis 200 &mgr;&pgr;&igr;. Die Isolationskomponente ist vorzugsweise zwischen einem elektrischen Leiter und einer Maschinenkomponente, insbesondere einer elektrischen leitfähigen Komponente, wie einem zweiten elektrischen Leiter, angeordnet. Sie kann sowohl im Läufer als auch im Ständer einer elektrischen Maschine, insbesondere in einem Turbogenerator, vorgesehen werden. Vorzugsweise ist sie im Wickelkopfbereich des Läufers oder des Ständers, in dem insbesondere Relativbewegungen zwischen benachbarten Leitern auftreten können, angeordnet. Die Isolationskomponente besteht vorzugsweise aus einem Glasfasermaterial, welches insbesondere mit einem Harz auf Polyester- oder Epoxidbasis verfestigt ist.

Der Pulverlack weist vorzugsweise ein Epoxidharz, insbesondere auf Basis von Bisphenol-A, auf. Dem Epoxidharz ist ein geeigneter Härter zugesetzt, der eine gewünschte zu erzielende Aushärtung des Pulverlackes gewährleistet. Selbstverständlich können auch andere Pulverlack^, die zu einer den Anforderungen in einer elektrischen Großmaschine entsprechenden Reibschutzfestigkeit und Temperaturbeständigkeit führen, verwendet werden. Dies können beispielsweise solche in der

GR 96 G 3864 DE

DE 35 28 492 Al aufgeführte duroplastische Beschichtungspulver (Pulverlacke) auf Basis eines epoxidierenden Phenolnovolacks, eines epoxidierenden Kresolnovolacks, von Trisglycidylisocyanorat und entsprechenden Härtern, beispielsweise aus der Gruppe der Dicyandiamid.de, Amidinine, Carbonsäuren und phenolischen Hydroxylgruppen sein.

Die Isolationskomponente ist vorzugsweise im wesentlichen stab- oder plattenförmig. Sie eignet sich daher als Isolationskomponente zwischen elektrischen Leitern, die band- oder stabförmig, insbesondere aus einem massiven elektrischen leitfähigen Material, hergestellt sind. Je nach Lage von die elektrischen Leiter durchdringenden Kühlkanälen weist die Isolationskomponente entsprechende zugeordnete Ausnehmungen auf, so daß auch durch sie das Kühlmedium, insbesondere Luft oder Wasserstoff, ohne wesentliche Strömungsverluste strömen kann. Die Reibschutzschicht bildet in diesen Ausnehmungen eine glatte Oberfläche, die einen geringen Strömungswiderstand für das durch die Ausnehmungen strömende Kühlfluid aufweist.

Die Isolationskomponente eignet sich somit bevorzugt auch für einen elektrischen Leiter, der aus übereinandergestapelten Teilleitern besteht, wobei zwischen zwei benachbarten Teilleitern jeweils eine Isolationskomponente eingefügt ist. Die Teilleiter können auch direkt mit der Reibschutzschicht beschichtet sein, welche gleichzeitig die Isolationskomponente bildet.

Die auf eine elektrische Maschine, insbesondere einen Turbogenerator, gerichtete Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zwi-0 sehen zwei Teilleitern eines elektrischen Leiters oder zwischen zwei elektrische Leiter eine Isolationskomponente mit einer Reibschutzschicht aus einem ausgehärteten Pulverlack angeordnet ist. Hierdurch wird ein Abrieb des Kupfers eines elektrischen Leiters sowie der Isolationskomponente bei einer Relativbewegung zwischen Teilleiter und Isolationskomponente vermieden, so daß die Entstehung einer aus Abrieb gebildeten

GR 96 G 3864 DE . ., .. ··. .'·."*:

elektrischen Schicht und somit ein-Versagen der Isolation verhindert ist.

Vorzugsweise wird zur Herstellung einer Isolationskomponente mit einer Reibschutzschicht bei einer Temperatur von 20 ⁰C bis 70 ⁰C die Isolationskomponente oder unmittelbar eine elektrisch leitfähige Komponente mit einem Pulverlack beschichtet und der Pulverlack bei einer Temperatur von 120 ⁰C bis 200 ⁰C, insbesondere 140 ⁰C, ausgehärtet wird. Die für die Aushärtung des Pulverlacks erforderliche Dauer, während der die Isolationskomponente auf der vorgegebenen Temperatur gehalten wird, beträgt beispielsweise zwischen 10 Minuten und 20 Minuten. Während der Auftragsphase ist, wenn überhaupt, nur eine geringfügige Erwärmung der Isolationskomponente erforderlich. Die Auftragung des Pulverlacks kann somit auch außerhalb eines Ofens erfolgen.

Zum Auftragen des Pulverlacks auf die Isolationskomponente eignet sich das elektrostatische Pulversprühen (EPS), das elektrostatische Wirbelbadverfahren sowie eine elektrostatische Wirbelbettbeschichtung, die beispielsweise in dem Buch &ldquor;Fertigungsverfahren in der Gerätetechnik" von F. Grünwald, 2. Auflage, Carl Hanser Verlag München, 1985, Abschnitt 9.5.2.4, beschrieben sind. Beim elektrostatischen Pulversprühen (EPS-Verfahren) wird das Pulver über sogenannte Korona-Sprühpistolen oder Tribo-Pistolen aufgebracht. In beiden Fällen kann überschüssiger nicht an der Isolationskomponente haftengebliebener Pulverlack wieder zurückgewonnen und damit einer erneuten Verwendung zugeführt werden. Als Pulverlacke 0 eignen sich besonders Epoxid-Harzpulver mit Aushärtezeiten von 15 min bis 5 min bei Temperaturen von 140 ⁰C bzw. 210 ⁰C. Mit diesen Epoxid-Harzpulvern sind sehr gute mechanische und chemische Schichteigenschaften erzielbar. Als weitere Pulverlacke bieten sich Polyurethan-Pulverlacke, Polyester-Pulverlacke sowie Acryl-Harzpulverlacke an. Nach einer Aushärtung und Abkühlung weist die Reibschutzschicht eine gleichmäßige Schichtdicke im Bereich zwischen 40 &mgr;&igr;&eegr; und 200 &mgr;&khgr;&agr; sowie eine

GR 96 G 3864 DE

hohe Härte und hohe Widerstandsfähigkeit auf. Mit dem Pulver sinterverfahren (Wirbelsintern) sind -größere Schichtdicken von ca. 200 /im bis 1000 &mgr;&khgr;&agr; mit spezifischen Eigenschaften, wie hoher Korrosions- und Chemikalienbeständigkeit, erreichbar. Die Pulverlacke lassen sich zudem gefahrlos lagern und aufgrund der hohen Ausnutzung (bis zu 99 %) entsteht lediglich ein geringer Entsorgungsaufwand. Ein Pulverlack hat vorzugsweise eine Pulverkorngröße von 3 0 &mgr;&khgr;&agr; bis 100 /im, wobei der überwiegende Anteil von Pulverkörnern eine Pulverkorngröße kleiner als 70 /im aufweist.

Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels werden die Isolationskomponente sowie die elektrische Maschine näher erläutert. Es zeigen in teilweise schematisierter und nicht maßstäblicher Darstellung:

FIG 1 einen Längsschnitt durch eine elektrische Großmaschine,

FIG 2, 3 jeweils einen Ausschnitt eines Querschnitts durch 0 einen elektrischen Leiter der elektrischen Großmaschine, und

FIG 4 einen Ausschnitt des Wickelkopfbereichs einer elektrischen Großmaschine in perspektivischer Darstellung.

FIG 1 zeigt in einem Längsschnitt eine elektrische Maschine 3 mit einem Ständergehäuse 12_; welches den Ständer 7 mit einer elektrischen Wicklung 2 trägt. Der Ständer 7 umschließt einen 0 sich entlang einer Hauptachse 17 erstreckenden Läufer 6, welcher ebenfalls eine nicht dargestellte Wicklung mit nicht dargestellten sich entlang der Hauptachse 17 erstreckenden stabförmigen Leitern aufweist. Der Läufer 6 ist beiderseits des Ständers 7 mit einem jeweiligen Lager 13 abgestützt und mit einer Erregermaschine 11 verbunden. An den nicht näher bezeichneten axialen Enden des Ständers 7 ragt die elektrische Wicklung 2 in einem jeweiligen Wickelkopfbereich 10 her-

GR 96 G 3 864 DE _A .··

• &kgr;

aus. In jedem Wickelkopfbereich 10 sind elektrische Leiter durch nicht dargestellt isolierende Spannelemente voneinander beabstandet und zu einem festen Wickelkopfverbund verspannt.

FIG 2 zeigt einen Ausschnitt durch einen Querschnitt eines elektrischen Leiters 8, der aus stab- oder bandförmigen, übereinandergestapelten Teilleitern 8a, 8b aufgebaut ist. Zwischen einander benachbarten Teilleitern 8a, 8b ist eine im wesentlichen band- oder plattenförmige Isolationskomponente angeordnet. Diese ist an ihrer Oberfläche vollständig mit einer Reibschutzschicht 4 aus einem ausgehärteten Pulverlack 5 überzogen, beispielsweise aus einem Epoxidharz auf Bisphenol-A-Basis. Teilleiter 8a, 8b sowie Isolationskomponente 1 weisen einander zugeordnete paßgenaue Öffnungen 15 bzw. 16 auf, durch die in Stapelrichtung jeweils ein Kühlkanal 14 zur Durchströmung mit einem Kühlmittel, insbesondere Luft oder Wasserstoff, gebildet ist. Eine Isolationskomponente 1, welche je nach Leistungsklasse der elektrischen Maschine, insbesondere eines Turbogenerators 3, eine Öffnung 16 zur Durchströmung mit einem Kühlmittel aufweist, eignet sich zur Isolation elektrisch leitfähiger Komponenten, wie Teilleiter 8a, 8b, eines elektrischen Leiters 8 in einem Läufer 6 in einem Ständer 7 einer elektrischen Maschine 3 sowie gegenüber Wandbereichen des Läufers 6 oder des Ständers 7.

Gemäß FIG 3 ist zwischen Teilleitern 8a, 8b, wie sie zu FIG beschrieben wurden, eine abriebfeste Isolationskomponente 1 unmittelbar durch eine jeweils auf die Teilleiter 8a, 8b aufgebrachte Reibschutzschicht 4 aus dem Pulverlack 5 gebildet.

0 Die jeweiligen Reibschutzschichten 4 der Teilleiter 8a, 8b liegen aneinander, so daß bei einer gegebenenfalls auftretenden Relativbewegung der Teilleiter 8a, 8b untereinander ein Reibkontakt lediglich an den aneinandergrenzenden Reibschutzschichten 4 besteht. Durch die Abriebfestigkeit der Reibschutzschichten 4 ist ein Abrieb des Materials, insbesondere des Kupfers, der elektrischen Teilleiter 8a, 8b sicher vermieden .

GR 96 G 3864 DE

FIG 4 zeigt einen Aussciinitt durch einen luftgekühlten Läufer 6 eines Turbogenerators 3 in einer perspektivischen Ansicht im Bereich des Wickelkopfes 10. In dem Wickelkopfbereich 10 sind eine Mehrzahl axial gerichteter elektrischer Leiter 8 in radialer Richtung umgebogen. Die elektrischen Leiter 8 sind aus einer Mehrzahl übereinander gestapelter Teilleiter 8a, 8b aufgebaut· Benachbarte elektrische Leiter 8 sind sowohl in ihrem axial verlaufenden als auch im radial verlaufenden Bereich jeweils durch eine Isolationskomponente 1 beabstandet. Die Isolationskomponente 1 ist, wie oben beschrieben, zumindest in den nicht näher dargestellten Kontaktbereichen mit den elektrischen Leitern 8 mit einer Reibschutzschicht 4 überzogen. Hierdurch ist ein Abrieb sowohl des Materials der Isolationskomponente 1 als auch des Metalls, insbesondere Kupfers, der elektrischen Leiter 8 bei einer Relativbewegung der Isolationskomponente 1 gegenüber den elektrischen Leitern 8 sicher vermieden. Durch die Isolationskomponente 1 ist ein jeweiliger Kühlkanal 14 für die Durchströmung von Kühlluft gebildet, so daß auch im Wickelkopfbereich 10 eine ausreichende Kühlung des Läufers 6 gewährleistet ist.

Die Erfindung zeichnet sich durch eine Isolationskomponente für eine Wicklung einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Turbogenerators im Leistungsbereich von 20 MVA bis 400 MVA, aus, die vorzugsweise vollständig mit einer Reibschutzschicht aus einem ausgehärteten Pulverlack beschichtet ist. Somit ist selbst bei einer Relativbewegung der Isolationskomponente gegenüber einer elektrisch leitfähigen Komponente der 0 elektrischen Maschine das Ausbilden einer elektrisch leitfähigen Schicht aus mechanischem Abrieb weitgehend vermieden.

Claims

GR 96 G 3864 DE Schutzansprüche

1. Isolationskomponente (1) für eine Wicklung (2) einer elektrischen Maschine (3) mit einer Reibschutzschicht (4) aus einem ausgehärteten Pulverlack (5).

2. Isolationskomponente (1) nach Anspruch 1, bei der die Reibschutzschicht (4) eine Schichtdicke von 40 /im bis 200 &mgr;&tgr;&eegr; aufweist.

3. Isolationskomponente (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in einem Läufer (6) oder einem Ständer (7) einer elektrischen Maschine (3), insbesondere einem Turbogenertor.

4. Isolationskomponente (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zwischen einem elektrischen Leiter (8) und einer elektrisch leitfähigen Komponente{9) .

5. Isolationskomponente (1) nach Anspruch 4 in einem Wickel-0 kopfbereich (10) eines Läufers (6) einer elektrischen Maschine (3) .

6. Isolationskomponente (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der ausgehärtete Pulverlack der Reibschutzschicht (4) ein Epoxidharz, insbesondere auf Basis von Bisphenol-A, aufweist.

7. Isolationskomponente (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aus einem Glasfasermaterial, welches insbesondere 0 mit einem Harz auf Polyester- oder Epoxidbasis verfestigt ist.

8. Isolationskomponente (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche im wesentlichen stab- oder plattenförmig ist,

9. Isolationskomponente (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die vollständig von der Reibschutzschicht (4) umge-

GR 96 G 3864 DE . ,. **,/·

11
ben ist.

10. Isolationskomponente (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welche durch die Reibschutzschicht (4) gebildet ist.

11. Elektrische Maschine (3), insbesondere Turbogenerator, mit einem elektrischen Leiter (8) der zumindest zwei Teilleiter (8a,8b) aufweist, zwischen welchen Teilleitern (8a, 8b) eine Isolationskomponente (1) mit einer Reibschutzschicht

(4) , insbesondere aus einem ausgehärteten Pulverlack (5), angeordnet ist.

12. Elektrische Maschine (3), insbesondere Turbogenerator, mit zumindest zwei elektrischen Leitern (8), zwischen denen eine Isolationskomponente (1) mit einer Reibschutzschicht (4), insbesondere aus einem ausgehärteten Pulverlack (5), angeordnet ist.