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Nutenkeile für dynamoelektrische Maschinen
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Die Erfindung betrifft utenkeile für dynamoelektrische Maschinen.
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Nutenkeile sind Streifen aus elektrisch isolierendem Material, die
dazu dienen, Leiter in den Wicklungsnuten des Stators von dynamoelektrischen Maschinen
wie Generatoren und Motoren festzuhalten. Bekannte Nutenkeilstrukturen enthielten
mit Phenolharz imprägnierte, flache, aus Kraftpapier bestehende Blattlaminate. Jedoch
trat bei Temperaturen in der Größenordnung von 1000 C nach mehrjähriger Benutzung
in großen Generatoren und Motoren eine gewisse Schrumpfung in den Kraftpapierlaminaten
auf. Außerdem besitzen die phenolgetränkten Kraftpapierkeile schlechte interlaminare
Scherungslängen und führten zu Abrieb auf den inneren oberflächlichen Kanten der
Eisenstatorzähne während des Eintreibens des Keils. Phenolhaltige Asbestnutenkeile
wurden in weitem Umfange verwendet, da sie gute Stabilität und gute Schmiereigenschaften
besitzen, jedoch wird in neuerer Zeit die Verwendung von Asbest als potentiell gesundheitsschädlich
angesehen.
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Die US-Patentschrift 34 37 858 offenbart den Versuch, die Schrumpfungs-
und Scherfestigkeitsprobleme dadurch zu verringern, daß
ein mit
Polyesterharz imprägnierter, aus parallelen Glasfasern bestehender extrudierter
Nutenkeil geschaffen wird, dessen Kern niedrige Scherfestigkeit aufweist. Diese
Struktur umfaßt an jedem Ende eine aus Metall oder Glasfaser bestehende Röhre, Stange,
Band oder Kordel, die jeweils eine sehr hohe Scherfestigkeit besaß. Somit trat die
höchste Scherfestigkeit an dem Teil des Keiles auf, der die innere Oberfläche des
Statorzahnes berührte. Dieser Keil wurde mit einem 0,13 bis 0,76 mm dicken Band
aus gewickeltem Glasfasergewebe verkleidet, das eine hohe transversale Bindungsfestigkeit
lieferte, und dadurch während des Einschiebens des Keils einen höheren Einschiebpreßdruck
erlaubte. Die Bandabdeckung erhöhte auch die Scherfestigkeit des Keils, da die Hälfte
der Glasfasern transversal zu den Nutenk kernfasern lagen. Derartige Keile sind
jedoch weiterhin abschleifend bezüglich der inneren Oberflächenkanten der Eisenstatorzähne,
wenn der Keil eingetrieben wird.
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Die US-Patentschrift 37 35 169 offenbart Mehrfachschichten aus Kaptonpolyimidfolie
oder Nomex-(poly-1,3-phenylenisophthalamid)-polyamid, hochdichtem, faserigem Blattmaterial,
das mittels Kleber zur Bildung flacher zusammengesetzter Werkstücke zusammenlaminiert
ist. Diese Schichten mit aufgebrachtem Kleber wurden in eine Klemmeinrichtung gebracht
und dann laminiert, um den Kleber auszuhärten. Sie bildeten dann feste Kunststoffkeile,
die auch bei hoher Temperatur dimensionsmäßig stabil waren und die gewünschte kanalförmige
Nutenkeilkonfiguration besaßen, ohne daß ein stützender Kern benutzt wurde. Eine
derartige Konstruktion verläßt sich jedoch zur Erlangung von Steifigkeit auf die
dünne Klebschicht und würde Keile liefern, die immer noch erhebliche Leiterverschiebung
und Leitervibrat sn erlauben würde. Diese Art von Keil wäre für kleine Anlagen praktikabel,
bei denen die Spulenkräfte etwa 180 g/cm Nutenlänge betragen würde, nicht jedoch
für große dynamoelektrische Maschinen, bei denen die Spulenkräfte etwa 1,8 kg/cm
Nutenlänge erreichen.
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Benötigt wird ein starker Keil, der in der Lage ist, eine Leiterverschiebung
sowie Leitervibrationen zu verhindern und Scherungsbeanspruchungen,
Schrumpfung
sowie Biegung, die durch den Druck des verkeilten Leiters und durch die Hitze verursacht
werden, zu widerstehen. Der Keil sollte, was sehr wichtig ist, auch eine kompressible
mit dem Eisen in Eingriff tretende Oberfläche von erheblicher Nachgiebigkeit und
Schmierfähigkeit besitzen, so daß die inneren Oberflächenkanten der laminierten
Statorzähne während des Eintreibens des Keils nicht abgeschliffen werden.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines derartigen Nutenkeils.
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Die Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.
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Die Erfindung besteht also aus einem mit dem Eisen in Eingriff tretenden
Nutenkeil, der so ausgeführt ist, daß er in die Zähne von Wicklungsnuten einer dynamoelektrischen
Maschine eingebracht werden kann. Der Nutenkeil ist dadurch charakterisiert, daß
er aus einem Glasfaserkern besteht, der mit einem wärmeausgehärteten Harz imprägniert
ist und der auf zumindest zwei Seiten mit einer Umkleidungsschicht bedeckt ist,
die aus einer Matte aus aromatischen Polyamidfasern besteht, welche mit einem wärmeausgehärteten
Harz imprägniert ist. Die mit wärmeausgehärtetem Harz imprägnierte aromatische Polyamidoberfläche
liefert auf zumindest den zwei Hauptberührungsseiten des Zahns außergewöhnlich gute
Schmierfähigkeit, Nachgiebigkeit, Zugfestigkeit und thermische Stabilität. Auch
ergibt sich die Fähigkeit zur Nutung während der Keileinführung, statt daß die Kanten
des Statorzahns abgerieben werden.
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Das aromatische Polyamid liegt vorzugsweise in Mattenform vor, mit
einer Dicke von 0,13 bis 0,64 mm und bildet eine zu 70 bis 95 % poröse Matrix für
das wärmeaushärtbare Harz. Die Matte ist zu 60 bis 80 Gew% mit einem thermisch ausgehärteten
Harz imprägniert. Der Glasgewebekern besitzt eine Dicke von etwa 5,1 bis 12,7 mm
und ist zu 40 bis 60 Gew% mit einem wärmeausgehärteten Harz imprägniert. Diese Kombination
liefert außergewöhnliche interlaminare Scherfestigkeiten von über 446 kg/cm
bei
einer Temperatur von 1000 C.
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Die mit Harz imprägnierte aromatische Polyamidfilzmatte wird in eine
geeignete Gießform angeordnet und das mit Harz imprägnierte Glasgewebe darüber anqeordnet.
Dann werden dampferhitzte Druckplatten verwendet, um die Harze auszuhärten und die
zwei Schichten miteinander zu laminieren, ohne daß ein Kleber verwendet wird, so
daß sich ein einstückiges, konsolidiertes Werkstück ergibt. Die organische Aramidfasermatrix,
die mit wärmeausgehärtetem Harz imprägniert ist, liefert eine nachgiebige Oberflächenschicht,
die die inneren Oberflächenkanten des Statoreisens während des Verkeilungsvorganges
schützt und die Verwendunq eines Glaskernmaterials hoher Festigkeit ermöglicht,
das 'fsher als zu abreibend sich erwiesen hat, wenn es alleine verwendet wurde.
Das Wicklungsversteifungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung steuert die Statorkräfte
sowohl im eingeschwungenen Dauerbetrieb wie auch unter Kurzschlußbedingungen. Das
System ist besonders nützlich für Anwendungen bei den Statoren von großen Generatoren.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher
erläutert, das in den Zeichnungen dargestellt ist.
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Es zeigt Fig. 1 in einer Querschnittsdarstellung eine Statorbauart
für eine dynamoelektrische Maschine, wobei der Zahn einer Wicklungsnut und des darin
eingeschobenen Nutenkeils gezeigt wird; Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Nutenkeils, wobei Einzelheiten der Kern- und Wicklungsanordnung
wiedergegeben sind; Fig. 3A ein Verfahren zur Herstellung des Laminataufbaus für
den erfindungsgemäßen Nutenkeil;
Fig. 35 die in zwei Gießräumen
geformten Nutenkeile; und Fig. 4 ein Testgerät zur Ermittlung des Eisenabriebs bei
dem Beispiel.
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In Fig. 1 ist ein Metallteil einer dynamoelektrischen Maschine, wie
ein Stator 1, dargestellt, das herkömmliche Konstruktion besitzt und aus Spulenschlitzen
oder -nuten 2 besteht, die eine Spulenleiterwicklung 3 enthalten, die auch Kühlleitungen
enthalten können. Jede Spule ist an der Oberseite und am Boden mittels phenolharzimprägniertem
Kraftpapier oder anderen geeigneten trennenden Schichtmaterialien 4 gebunden und
von einer Isolation 5 umgeben, wie dem Durchschnittsfachmann wohlbekannt.
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Die Isolation 5 umfaßt im allgemeinen eine gegenüber Feuchtigkeit
widerstandsfähige elastische Kombination aus einem wärmehärtenden Harz und Glimmerflocken.
Der Nutenkeil 6 ist.eine Spanneinrichtung für die Spulenwicklungen und zwischen
den oberen Leiterwicklungen und dem laminierten Eisenstatorzahn 7 gemäß der Darstellung
angeordnet. Der Nutenkeil ist zwischen den Zähnen des Spulenschlitzes eingeführt
und berührt die inneren Kantenflächen 8 der Statorzähne 7. Die innere Oberfläche
der Zähne stellt eine Nut in dem laminierten Statoreisenbauteil dar und kann verschiedenartige
Konfiguration besitzen, wie bei 8 bzw. 9 dargestellt ist.
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Jeder Stator einer großen dynamoelektrischen Maschine umfaßt eine
Vielzahl von Kernstanzteilen aus Siliziumstahl geringen Verlustes. Beispielsweise
kann ein großer Generatorstator einen Durchmesser von 3 m und eine Länge von 6 m
aufweisen. Der Stator kann bis zu 30 getrennte Stanzteile pro 2,5 cm Länge besitzen.
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Jedes Laminat wird vor dem Stanzen mit einer hochtemperaturfesten
anorganischen Isolierung beschichtet, wie beispielsweise mit einer natriumsilikatartigen
oder einer phosphatartigen Isolierung. Das Laminat wird dann gestanzt, entgratet
und erneut beschichtet.
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Die gestanzten Laminate, die den Querschnitt der Statorspule aufweisen,
werden dann auf Aufbaubolzen aufgestapelt und durch isoliert hindurchgeführt Bolzen
und nichtmagnetische Fingerplatten fest miteinander verklemmt, um einen Statorkörper
zu bilden, der Spulenschlitze und Statorzähne besitzt. Die Isolation zwischen jedem
laminierten Stanzteil hilft dabei, Stromverluste bei den Betriebstemperaturen entlang
der äußeren Oberfläche des Stators zu verhindern. Wegen der Anzahl der einzelnen
Laminate ist es unmöglich, die Zahnabschnitte genauer als mit einer Toleranz von
+ 0,25 mm auszurichten. Daher werden viele der Zahnkantenlaminate "hervorstehen"
und während der Einführung des Nutenkeils Biegung oder Scherung durch den Nutenkeil
ausgesetzt sein.
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FlArsn die Zahnkantenlaminate gebogen oder geschert werden, können
sie einander berühren, was zu elektrischen Kurzschlüssen führt und den Zweck der
Isolation zwischen den einzelnen Laminaten vereitelt. Es ist daher wichtig, daß
das Äußere des Nutenkeils erhebliche Schmiereigenschaften aufweist und von einer
Konstruktion ist, die ein Kratzen der Statorzahnlaminate ermöglicht, ohne daß die
Laminate umgebogen werden, während gleichzeitig die strukturelle Integrität aufrechterhalten
wird.
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Nachdem die isolierten Leitungswicklungen und die Separatoren in den
Spulennuten an Ort und Stelle geschoben sind, wird eine Vielzahl von Nutenkeilen
6 mittels eines geeigneten Antriebsmechanismus wie Block und Hammer an Ort und Stelle
getrieben.
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Zwischen der das Eisen in Eingriff nehmenden äußeren Oberfläche des
Nutenkeils und den laminierten Eisenstanzteilen des Stators tritt an den Zahnkantenkontaktpunkten
8 auf der Seite und auf dem Boden des Nutenkeils ein Reibkontakt auf. Im a71gemeinen
besitzt die Nutenkeilanordnung eine Länge, die gleich der des Wicklungsschlitzes
ist, und besteht gewöhnlich aus einer Vielzahl von Keilen mit einer Länge von ungefähr
15 cm. Ein Stator mit einer Länge von 6 m würde also 40 Keile pro Nut oder Schlitz
enthalten. Die Nutenkeile gemäß der vorliegenden Erfindung lassen sich leicht zu
verschiedenen Konfigurationen formen und sind leicht bearbeitbar.
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Wie aus Fig. 2 hervorgeht, besitzt Nutenkeil 6 einen Glasfaserkern
20, wie beispielsweise Glasgewebe oder Glastuch. Der Glasfaserkern kann in bearbeiteter
Blattform vorliegen, vorzuziehen ist jedoch eine spiralartige, d. h. gewundene oder
gewickelte Form, wie dargestellt. Ein gewickelter Kern ist besonders nützlich, da
dadurch die interlaminare Scherfestigkeit des Kerns um 10 bis 20 % erhöht wird.
Daher kann das Äußere den Kanten 21 eines gewickelten Kerns einer größeren Auswärtskraft
der in den Spulenschlitzen gehaltenen Spulen widerstehen. Der Nutenkeilkern ist
mit einem wärmeausgehärteten Harz imprägniert, wie beispielsweise mit einer,1 Phenolharz
oder einem Epoxyharz, wobei beide Harze allgemein bekannt sind. Diese Harze können
verschiedene bekannten Aushärtemittel, Beschleuniger und Inhibitoren enthalten.
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Das in dem Kern verwendete Glas tuch wird eine Dicke von etwa 0,076
bis 0,25 mm besitzen. Nach dem Übereinanderlegen oder Aufwickeln und nach dem Aushärten
in der Form liefert das Glastuch einen Kern mit einer Dicke, die von 5,1 bis 12,7
mm reicht.
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Es wird zu 40 bis 60 Gew% mit einem wärmeaushärtbaren Harz getränkt,
wobei die Gewichtsprozente bezogen sind auf das Gewicht von Harz plus Glastuch.
Eine Dicke von weniger als 5,1 mm und eine Harzbeladung unterhalb von 40 Gew% könnten
zu Hohlräumen führen, die die Kernfestigkeit erheblich beeinträchtigen würden.
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Der Glasfaserkern ist an zumindest zwei Seiten mit einer aus aromatischem
Polyamid bestehenden Matte bedeckt, das ist eine Filzbekleidung, die eine zumindest
70 %ig poröse Struktur aufweist, im allgemeinen aber eine Porosität von 70 bis 95
% vor der Harzimprägnierung besitzt. Diese niedrige Dichte ermöglicht eine sehr
hohe Harzbeladung innerhalb einer zähen Aramidmatrix, die außergewöhnliche ZugXfestigkeitseigenschaften
besitzt. Die Abdeckung ist zumindest auf die Seitenflächen 21 des Kerns integral
auf laminiert und aufgebunden, die den Zähnen gegenberliege und das Eisen in Eingriff
nehmen, während die obere Oberfläche 22 und der das Eisen in Eingriff nehmende Kantenteil
der Bodenfläche bei 23 zur Erleichterung der Aufbringung ebenfalls beschichtet
sind.
Dies liefert einen Nutenkeil mit einer oberen Oberfläche 24, einer zur Wicklung
weisenden Bodenfläche 25, den das Eisen in Eingriff nehmenden Kanten 26, durch die
die Zähne des Stators berühren werden, sowie den zwei primären, Eisen in Eingriff
nehmenden Zahnberührungsseiten 27.
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Diese Abdeckung muß aus einer harzimprägnierten aromatischen Polyamidmatte
bestehen. Viele andere Materialien, wie aromatische Polyimide sind schwierig an
der Glaskernoberfläche anzubinden.
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Die Abdeckung darf nicht in Folienform vorliegen, da diese Art von
Abdeckung die Neigung besitzt, sich während des Verkeilens von dem Glaskern abzuscheren.
Die aromatische Polyamidmatte besteht vorzugsweise aus einer einzigen Schicht in
nichtgewebter T3rm mit einer Dicke von 0,13 bis 0,64 mm nach dem Formen. Die Matte
liefert eine Matrix mit einer theoretischen Dichte von 5 bis 30 Vol%, d. h. mit
einer Porosität von 70 bis 95 %, die mit 60 bis 80 Gew% wärmeaushärtbarem Harz imprägniert
wird, wobei die Gewichtsprozentangabe auf dem Gewicht von Harz plus Matte beruht.
Das wärmeaushärtbare Harz kann beispielsweise ein Phenolharz oder ein Epoxyharz
sein, das eine Vielzahl von bekannten Aushärtemitteln enthalten kann, wie auch Beschleuniger
und Inhibitoren.
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Dicken der geformten Polyamidharzmatte unterhalb von 0,13 mm reichen
nicht aus, um eine Flächenkompression zu ermöglichen und den rauhen Zahnkantenoberflächen
zu erlauben, den Keil zu schneiden und zu kratzen, während der Keil eingetrieben
wird.
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Dicken unterhalb von 0,13 mm reduzieren die Nachgiebigkeit der Stirnfläche
und können zu einem Bruch oder zu einem Reißen der Matte führen, wodurch die Eisenzahnlaminate
mit der,. abreibenden Glastuchkern in Berührung kommen. Eine Harzbeladung unterhalb
von 60 Gew% verschlechtert ernsthaft die Adhäsion der Abdeckung an dem Kern, da
einiges von dem in der Abdeckung benutzten Harz während der Hochdrucklamination
in den Kern einsickert, wobei die Hochdrucklamination die außergewöhnliche Bindung
der zwei Komponenten des Laminats ohne die Verwendung von Klebern liefert.
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Weniger als 60 Gew% Harz würde auch die Schmiereigenschaften
der
Abdeckung sowie die Fähigkeit verringern, das mechanische Kratzen und Einschneiden
der Zahnstanzteile aufzunehmen.
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Ein vollständig aus aromatischem Polyamid bestehender Nutenkeil ist
für große dynamoelektrische Maschinen wegen des übermäßigen Kriechens und Schrumpfens
bei den Betriebstemperaturen nicht geeignet. Das vorzugsweise Dickenverhältnis von
imprägnierter Glasfaserkernschicht zu imprägnierter aromatischer Polyamidstirnschicht
liegt zwischen 10:1 und 100:1. Ein Verhältnis von weniger als 10:1 führt zu Schrumpfungsprob
I.emen. Ein Verhältnis von höher als 100:1, d. h. eine sehr dünne abdeckende Schicht,
würde zu möglichen Abriebproblemen führen.
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Aromatische Polyamide in Form von Garn, Papier, Matte und Faser sind
dem Fachmann bekannt, die aromatischen Polyamide umfassen aromatische Ringe, die
durch Karbonamidkettenglieder gemäß der nachstehenden Formel verbunden sind:
Derartige aromatische Nylonmaterialien besitzen einen weiten Bereich von chemischen
und physikalischen Eigenschaften und weisen ausgezeichnete thermische Stabilität
auf. Sie können dadurch hergestellt werden, daß ein aromatisches Diamin mit einem
aromatischen Diacidchlorid in einem wäßrigen System reagiert wird. Eine vollständige
Beschreibung ihrer Eigenschaften und ihrer Synthese findet sich beispielsweise in
den US-Patentschriften 36 71 542 und 32 40 760. Diese Aramide werden erfindungsgemäß
in der Form von Fasermatten mit hohem Molekulargewicht verwendet. Diese Fasermatten
bestehen im wesentlichen aus runden Faserstücken mit einem ungefähren durchschnittlichen
Durchmesser von 0,0025 bis 0,02 mm. Die Matte kann auch faserige Binderteilchen
enthalten. Die Matte besitzt gegenüber Kompaktierung eine Nachgiebigkeit von 90
bis 100 %, d. h., daß sie einen Einschlag leicht absorbiert und in ihre ursprüngliche
Form zurückkehrt. Eine derartige Nachgiebigkeit wird selbst dann
in
einem hohen Ausmaß erhalten, wenn die Matte mit Harz beladen wird.
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Das am meisten vorzuziehende aromatische Polyamid ist ein Poly-(phenylenphthalamid)
mit einer Zugfestigkeit von mehr als etwa 2 2 6.300 kg/cm und vorzugsweise von mehr
als 17.600 kg/cm , und einem Streckmodul von über 0,14 x 106 und vorzugsweise mehr
als 0,7 x 106 kg/cma. Ein Beispiel für ein Material dieser Art umfaßt im wesentlichen
wiederkehrende Einheiten von Poly-(1,4-phenylenterephthalamid):
beschrieben als "Kevlar" von Gan et altera in Band 19 des Journal Of Applied Polymer
Science, Seiten 69-82 (1975). Diese Zugfestigkeitseigenschaften liefern eine ausreichend
gute Anpassung an das Glas in dem Kern, das eine Zugfestigkeit von ungefähr 14.000
bis 28.000 kg/cm2 und einen Zugfestigkeitsmodul von etwa 0,7 x 106 kg/cm2 aufweist.
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Durch enge Anpassung der Werte der zwei Komponenten der laminierten
Zusammensetzung verringert sich die Gefahr der Delaminierung unter dem Druck der
Spule und bei den Temperaturen, die bei großen dynamoelektrischen Maschinen auftreten,
wobei die Druckwerte von 13,5 bis 27 kg/cm Nutkeillänge und die Temperaturwerte
von 75 bis 1250 C reichen können. Auch braucht kein Kleber verwendet zu werden,
um das Aramid und das Glas miteinander zu verbinden. Die aromatischen Polyamide,
wenn sie in poröser Mattenform vorliegen, liefern eine Matrix izr das wärmeaushärtbare
Harz mit einer Dichte von 5 bis 30 Vol%. Die imprägnierte, ausgehärtete Matte ist
nachgiebig, flexibel und besitzt Schmiereigenschaften, wodurch kratzender Kontakt
mit rauhen Oberflächen absorbiert wird.
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Fig. 3(B) zeit das aromatische Polyamidfilz 31, das mit Harz imprägniert
ist und eine Wicklung aus imprägniertem Glasgewebe 32.
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Sie sind in eine Form 35 mit zugehörigen Dampfmustern 36 angeordnet,
wie in Fig. 3(A) dargestellt Die Erfindung sei nun anhand des folgenden Beispiels
noch näher erläutert: Beispiel Zahlreiche, mit harzimprägnierten aromatischen Polyamidglasumkleidungen
versehene Nutenkeile wurden hergestellt. Ein Glasgewebestreifen des Typs Nr. 7628
mit einer Breite von 60 mm und einer Dicke von 0,25 mm wurde mit einer Acetonlösung
eines Bisphenol-A-Epoxyharzes getränkt, dessen Epoxyäquivalentgewicht 450 bis 550
betrug (wird von der Firma Shell Chemical Corporation als 'tEPON 1001" vertrieben),
wurde unter Verwendung von trimellitischem Anhydrid als ein Katalysator imprägniert.
Dieser imprägnierte Streifen wurde durch einen Behandlungsturm mit einer Temperatur
von 1400 C hindurchgeführt, um das Acetonlösungsmittel zu verdampfen. Dadurch ergab
sich ein B-stufiger nichtklebriger Streifen mit einer Harzbeladung von etwa 50 bis
55 Gew%, welcher Streifen auf eine Länge von 150 cm geschnitten wurde.
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Ein zu 75 e poröser, d. h. 25 Vorlag dichter Streifen aus nichtgewebter,
gefilzter Matte aus hochmolekularem aromatischem Polyamid mit einem Gewicht von
237 g/m2, einer Zugfestigkeit von etwa 21.000 bis 28.000 kg/cm2 und einer ungefähr
95 %igen Nachgiebigkeit (angeblich bestehend hauptsächlich aus Poly-1,4-phenylenterephthalamid,
kommerziell vertrieben unter der Bezeichnung "Kevlar 29" von E. I. DuPont De Nemours
& Co.) mit einer Breite von 90 cm und einer Dicke von 3,18 mm wurde mit einer
Methanollösung eines Phenolformaldehydharzes imprägniert. Dieser imprägnierte Streifen
wurde durch einen Behandlungsturm bei etwa 140°C hindurchgeführt, um das Lösungsmittel
zu verdampfen.
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Dies härtete das Harz in dem Streifen teilweise aus und lieferte eine
trockene Vorimprägnierung, wobei etwa 70 bis 75 Gew% des Phenolharzes in einer 25
Vol%igen Aramidmatrix sich befanden.
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Der Streifen wurde dann in Längsstücke von 150 mm zerschnitten.
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Der Epoxyglasstreifen wurde zu einer 20 Schichten dicken Röhre aufgerollt
und auf dem Phenol-Kevlar-Abdeckstreifen aufgelegt, wie in Fig. 3(B) der Zeichnungen
dargestellt. Die Phenolglasröhre wurde flachgepreßt und die Enden der Phenol-Kevlar-Streifen
über der abgeflachten Röhrenoberseite herumgebogen. Es wurden keine Klebmittel verwendet.
Diese Anordnung wurde in eine Form gegeben, wie in Fig. 3(A) dargestellt, und dann
zwischen Heißdruckplatten bei einer Temperatur von 1550 C eine halbe Stunde lang
mit einem Druck von 700 kg/cm2 gepreßt. Daraufhin ließ man das zusammengesetzte
Teil abkühlen und entfernte es, wodurch sich ein konsolidierter, gebundener, laminierter
Nutenkeil ergab. Das geformte zusammengesetzte Stück besaß eine nachgiebige, schmierende,
aromatische Polyamidstirnfläche an der kurzen Stirnstifte auf den zwei die Zähne
berührenden Kantenseiten und auf den Kanten der Bodenseite, wie in Fig. 2 der Zeichnungen
wiedergegeben. Die aromatische Polyamidabdeckung wurde bis zu einer Dicke von etwa
0,38 mm komprimiert und die aromatische Polyamidmatrix mit etwa 70 Gew% Harz geladen.
Der Glastuchkern war etwa 9 mm dick und mit etwa 50 Gew% Harz geladen. Es ergab
sich eine ausgezeichnete Bindung zwischen den beiden klebemittelfreien Schichten.
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Es wurden Versuche an dieser Zusammensetzung unternommen, um die Festigkeit
und Stabilität zu untersuchen. Der Keil wurde mit der Stirnfläche nach unten in
einer hohlen Stahltestanordnung angeordnet, welche eine simulierte Statoroberfläche
besaß.
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Hier ruhten die abgeschrägten Seitenkanten auf Stahl in der Anordnung
und ein Stahldruckstab, der den Leiterwicklungsdruck in einem Stator simulierte,
wurde gegen den Spulenstützrücken des Nutenkeiles gepreßt. Eine 30tonnige Amsler-UnisTersal-Testmaschine
wurde in Verbindung mit einer Baldwin-Mikroformereinheit verwendet, um die Auslenkung
zu messen. Die Testanordnung wurde in einem Ofen betrieben, wobei ein Thermometer
an der Probe angebracht war. Die interlaminare Keilscherfestigkeit bei 1000 C ergab
sich zu 626 kg/cm Nutenkeillänge. Dies liegt mehr als 230 % oberhalb der üblichen
Pressung von 13,4 bis 26,8 kg/cm Spulenlänge, die in den meisten großen dynamoelektrischen
Maschinen
auftritt, wie auch weit oberhalb des Wertes von 268 kg/cm pro Länge, welcher Wert
typisch für Nutenkeile aus phenolharzimprägnierten Kraftpapierlagen ist.
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Ein ähnlicher Nutenkeil wurde bei 100°C und einem Druck von 10,5 kg/cm2
48 Stunden lang untersucht. Dieser Test simulierte die tatsächlichen Betriebsbedingungen
einer dynamoe lektri schen Maschine. Die prozentuale Dickenschrumpfung sowie die
prozentuale Verbiegung des Nutenkeils nach seiner Entfernung war nicht meßbar. Dies
stellt eine dramatische Verbesserung gegenüber der 2 bis 4 %igen Schrumpfung von
Nutenkeilen aus mit Phenolharz imprägnierten Kraftpapierlagen dar, sowie der 5 %igen
Schrumpfung von vollständig aus "Kevlar" bestehenden Keilen, die mit Phenolharz
imprägniert sind. Die beobachtete Schrumpfung von "Kevlar" macht die Verwendung
in Verbindung mit einem Glaskern notwendig, damit dieser Keil bei großen dynamoelektrischen
Maschinen verwendbar wird.
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Abriebuntersuchungen wurden dann durchgeführt, wobei ein bearbeiteter,
massiver Aramidnutenkeil sowie eine Testapparatur verwendet wurde, die in der Fig.
4 der Zeichnungen dargestellt ist. Die Testanordnung 40 umfaßte einen 127 mm langen
Stapel aus laminierten Stanzblechen, wobei jedes von dem anderen durch eine phosphatartige
Isolation isoliert war. Es gab 30 Stanzbleche pro 2,5 cm Länge der Meßanordnung.
Der Nutenkeil bestand aus mit Phenolharz imprägnierten Schichten aus aromatischem
Polyamid-Kevlar. Der geformte Block war etwa 1 mm dick und 190 mm lang und lieferte
eine 25 Vol%ige aromatische Polyamidmatrix, die mit etwa 75 Gew% Phenolharz geladen
war. Die Farbe des Keiles war ein fahles Gelb. Der Block wurde bis zu einer Länge
von 24,8 mm + 0,38 mm mit einem Radius von 0,79 mm an seinen Enden bearbeitet, wie
bei 40 in Fig. 4 dargestellt. Ein ähnlicher Keil wurde von einem 1 mm dicken geformten
Block aus mit Epoxyharz imprägniertem Glastuch gearbeitet. Beide Keile wurden zu
genau passenden Dimensionen bearbeitet. Die Entfernung zwischen dem tiefsten Teil
41 der Zähne 42 der Anordnung betrug 2,5 cm.
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Bolzen 43 hielten die laminierten Stanzteile der Testanordnung
zusammen,
wie bei 44 dargestellt.
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Der Abriebtest bestand aus einer kurzen, mechanischen Schub/Zugbewegung,
wobei zwischen dem Keil und dem Eisen eine Kraft von 10,5 kg/cm2 angewendet wurde,
welche jeden Keil durch die Stanzteile hindurchbewegte. Es wurden neue Stanzbleche
für jede Testanordnung verwendet. Die Untersuchungen wurden bei einer Temperatur
von 25°C durchgeführt. Dieser Test simulierte sehr eng Bedingungen bei dem tatsächlichen
Einführen der Keile in Generatorstatoren. Sowohl der phenolgetränkte aromatische
Polyamidkeil wie auch der epoxygetränkte Glastuchkeil wurden durch die Testanordnungen
hindurchbewegt, wobei das Eisen über 1.000 Zyklen in eingriff genommen wurde. Es
wurden Eisenablagerungen auf en berührenden Oberflächen des aus epoxygetränktem
Glas tuch bestehenden Keiles gefunden. Der mit Phenol getränkte aromatische Polyamidkeil
schien weniger Einfluß auf die Blechschnitte zu haben und wies keinerlei nennenswerte
Eisenablagerungen auf den berührenden Oberflächen auf. Der Keil aus phenolgetränktem
aromatischen Polyamid zeigte viel stärkere Abnutzung. Mikroskopbilder, die von den
Blechschnitten einer jeden Testanordnung mittels eines Abtastelektronenmikroskops
hergestellt wurden, wurden untersucht und die Stanzkanten im Kontakt mit dem phenolgetränkten
aromatischen Polyamid zeigten viel geringere Abnutzung als die Stanzkanten, die
sich im Kontakt mit dem Keil aus epoxygetränktem Glastuch befanden. Wasserabsorptionsteste
wurden gemäß dem US-Standard ASTM D-570 durchgeführt, bei welchem Test Proben 24
Stunden lang in Wasser mit einer Temperatur von 250 C eingetaucht werden. Es ergaben
sich die sehr guten Werte von 1,1 % Wasserabsorption, bezogen auf das Gewicht für
den phenolgetränkten, aromatischen Polyamid und epoxygetränkven Glastuchkeil.
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Die Nutenkeile aus mit phenolgetränktem aromatischen Polyamid umkleideten
epoxygetränkten Glastuch, die gemäß der obigen Beschreibung hergestellt wurden,
wurden in Längen von etwa 15 cm getestet, und zwar als Statorwicklungskeilsystem
in den Schlitzen eines Stators eines großen zweipoligen Dampfturbinengenerators
von
20 kV und669 MW, wobei sich außerordentlich gute Resultate ergaben. Die Nutenkeile
ließen sich leicht in die Nuten eintreiben, beschädigten nicht die Eisenkantenlaminierungen,
die sie berührten, wodurch die magnetische Integrität der Statorkernanordnung sichergestellt
wurde. Die Nutenkeile hielten auch den Radialdruck auf die Wicklungen aufrecht und
hielten die gepreßten Wicklungen eng an Ort und Stelle, um so eine Vibration zu
verhindern.
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L e e r s e i t e