DE3916253A1 - Oelgefuellter, elektrischer tauchpumpen-motor mit unlackiertem stator-aufbau - Google Patents
Oelgefuellter, elektrischer tauchpumpen-motor mit unlackiertem stator-aufbauInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf elektrische
Tauchpumpen-Motoren und betrifft insbesondere
Verbesserungen bei ölgefüllten Motoren, die zum Einsatz in
Hochtemperaturbereichen bestimmt sind.
Seit vielen Jahren sind Tauchpumpen-Einheiten eingesetzt
worden zum Pumpen von Öl oder Wasser aus Bohrlöchern.
Solche Tauchpumpeneinheiten sind z.B. in den folgenden
US-Patentschriften offenbart: US-Patent Nr. 19 51 919,
19 70 484, 20 01 649, 22 36 887, 22 51 816, 22 70 666,
23 15 917, 36 72 795 und 42 75 319; alle diese
Druckschriften sind auf den Zessionär der vorliegenden
Erfindung übertragen worden. Normalerweise umfaßt eine
Tauchpumpeneinheit einen elektrischen Motor und eine
Zentrifugalpumpe, die hintereinander in einem Bohrloch an
Schläuchen oder Kabeln aufgehängt sind. Der Motor ist mit
einem Öl gefüllt, das dazu dient, die bewegten Teile zu
schmieren, elektrische Teile zu isolieren, den Motor zu
kühlen und Flüssigkeit vom umgebenden Bohrloch vom Inneren
des Motors fernzuhalten. Ein ölenthaltender Schutzmantel
gleicht die thermische Ausdehnung und Zusammenziehung des
Öles aus, die vom Betrieb bzw. Nicht-Betrieb des Motors
herrührt.
Elektrische Tauchpumpen-Motoren sind teuer. Wenn sie
Störungen im Betrieb verursachen, muß die Pumpeneinheit
aus dem Bohrloch herausgezogen werden, was ein teurer
Arbeitsvorgang ist. Demzufolge werden hochwertige
Isolierungssysteme in den Pumpenmotoren angewandt, um
elektrische Störungen zu vermindern. Das Isolierungssystem
des Stators einer Bauart von Tauchmotoren, die durch den
Zessionär der vorliegenden Erfindung vertrieben wird,
umfaßt z.B. isolierende Hülsen und isolierende
Schichtungen auf gegenüberliegenden Enden des Stators,
isolierende, schlauchförmige Schlitzauskleidungen für die
Statorwindungen, zahlreiche Isolierungslagen auf dem
Magnetdraht der Windungen, isolierendes Band auf den
Endlagen der Windungen, isolierende Hülsen an den
Verbindungen zu den Endlagen und einen isolierenden Lack,
der das gesamte Innere des Statoraufbaus imprägniert. Das
im US-Patent 42 75 319 (auf das oben verwiesen worden ist)
offenbarte, verbesserte Isolierungssystem verlängert die
Zwischenzeit zwischen den Störungen gegenüber früheren
Isolierungssystemen erheblich. Dennoch hat selbst dieses
verbesserte Isolierungssystem in der rauhen Umgebung von
heißen Bohrlöchern noch nicht die erwünschte Lebensdauer
für Tauchmotoren gebracht.
Bei ölgefüllten Tauchmotoren ist es normale Praxis
gewesen, einen Lack in das Stator-Isolierungssystem mit
einzubeziehen. Die Erfindung gemäß dem oben erwähnten
US-Patent 42 75 319 beruht auf einem verbesserten,
hydrolytisch stabilen Lack, um die Lebensdauer des Motors
zu verlängern. Der Lack imprägniert im wesentlichen das
gesamte Statorsystem und dient als eine
Feuchtigkeitsbarriere, um die Magnetdraht-Isolierung vor
einem hydrolytischen Angriff zu bewahren. In üblicher
Weise dient der Lack auch zu einer zusätzlichen
elektrischen Isolierung für die elektrischen Leiter des
Stators, unterstützt das Gewicht der Statorwindungen und
schließt die Endwindungen der Statorwindung so ein, daß
sie im wesentlichen unbeweglich sind.
Der Gebrauch von Lack beim Stator-Isolierungssystem ist
jedoch ein zweischneidiges Schwert. Die Lackimprägnation
ist ein teurer, arbeits- und kapitalintensiver
Arbeitsvorgang. Der Lack neigt dazu, sich im Gebrauch zu
zersetzen und auf diese Weise eine Verunreinigung des Öls
herbeizuführen, das den Motor ausfüllt. Ein wiederholter
Ausdehnungs-Zusammenziehungsvorgang, der während des
Betriebes und der Stillstandsphase des Motors auftritt,
crackt darüber hinaus den Lack und führt letztlich zu
einer elektrischen Störung des Motors. Andere Probleme,
die im Zusammenhang mit dem Gebrauch von Lack auftreten,
werden später betrachtet.
Die vorliegende Erfindung ist der Höhepunkt einer
ausgedehnten Forschungstätigkeit mit dem Ziel, einen
ölgefüllten, elektrischen Tauchmotor zu konstruieren, der
einen unlackierten Statoraufbau aufweist. Obwohl sein
Statoraufbau lacklos ist, bietet der Motor nach der
vorliegenden Erfindung eine wesentlich höhere
Leistungsfähigkeit, als dies vorher möglich war, und zwar
besonders in Umfeldern mit hoher Temperatur. Darüber
hinaus wird mit der Erfindung eine wesentlich höhere
Motorlebensdauer erreicht bzw. kann bei einer höheren
Temperatur gearbeitet werden bei einer gegebenen
Motor-Lebensdauer.
Kurz ausgedrückt, betrifft die Erfindung einen
ölgefüllten, elektrischen Tauchpumpen-Motor, der einen
unlackierten Statoraufbau aufweist, mit Statorwindungen,
die aus Leitern bestehen, die mit einer hydrolytisch
stabilen, ölresistenten und abriebresistenten Isolation
bedeckt sind, die dem Öl im Motor ausgesetzt ist, wobei
die Windungen Endlagen aufweisen, die durch hydrolytisch
stabile, ölresistente und elektrisch-isolierende Mittel im
wesentlichen festgelegt werden.
Die Erfindung wird nun im Zusammenhang mit den beigefügten
Zeichnungen beschrieben, die ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel darstellen.
Fig. 1 ist eine zusammengezogene, teilweise
geschnittene Längsansicht einer
Tauchpumpeneinheit, in der die vorliegende
Erfindung angewendet werden kann;
Fig. 2 ist eine zusammengezogene, längsgeschnittene
Ansicht eines Statoraufbaus eines ölgefüllten,
elektrischen Tauchpumpen-Motors nach dem Stand
der Technik;
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht einer
langsgeschlitzten Statorette, die dazu benutzt
wird, die Erfindung zu testen, wobei die
Statorette in Verbindung mit einem Diagramm
gezeigt wird, das die Anordnung der Windungen
darstellt, wie sie für Testzwecke benutzt
worden sind;
Fig. 4 ist eine Explosionsdarstellung, die die Blocks
zum Unterstützen der Endwindungen darstellt,
sowie andere Abschnitte eines Endes des
Statoraufbaus, wie er in der Erfindung benutzt
wird; und
Fig. 5 bis 7
sind längsgeschnittene Teilansichten, die
Abschnitte eines Endes des Statoraufbaus
zeigen, wie er in der Erfindung angewendet
ist, und zwar in der Ansicht von verschiedenen
Punkten aus, die um etwa 120° um den Umfang
des Statoraufbaus herum angeordnet sind.
Bevor die Erfindung im einzelnen beschrieben wird, ist es
nützlich, das Umfeld der Erfindung zu betrachten und einen
Statoraufbau nach dem Stand der Technik im einzelnen zu
beschreiben.
Fig. 1 stellt eine typische Tauchpumpeneinheit 10 dar, in
der die vorliegende Erfindung angewendet werden kann. Die
Pumpeneinheit umfaßt einen ölgefüllten, elektrischen
Tauchmotor 12, ein Motorschutzgehäuse 14 und eine Pumpe
16, die als Zentrifugalpumpe ausgeführt sein kann. Der
Motor umfaßt ein rohrförmiges Metallgehäuse 18, einen im
Inneren des Gehäuses angeordneten Statoraufbau 20 und
einen Rotor 22 mit einer Rotorwelle 24, wobei der Rotor zu
einer Drehung koaxial innerhalb des Stators mit Hilfe von
Lagern 26 und 28 gelagert ist. Wie üblich, ist das Innere
des Motors 12 mit einem Öl gefüllt, wie z.B. einem
wasserklaren (ganz aus Kohlenwasserstoff bestehenden)
Mineralöl oder einem synthetischen Kohlenwasserstofföl
(das besonders nützlich ist bei geothermischen oder
anderen Umgebungsverhältnissen bei hoher Temperatur). Die
Motorwelle hat einen Abschnitt, die durch das
Motorschutzgehäuse 14 herausragt und mit der
Schaufelradwelle der Pumpe 16 verbunden ist. Das
Schutzgehäuse 14 enthält ebenfalls Öl und ist mit dem
Inneren des Motors verbunden, um eine Ausdehnung und eine
Zusammenziehung des Öles im Motor in der bekannten Art
auszugleichen. Wahlweise oder zusätzlich kann der Motor
mit einer Druckausgleichskammer versehen sein. Der Motor
ist gegen das Einbringen von Flüssigkeit aus dem
umgebenden Bohrloch abgedichtet, wobei ein oder mehrere
mechanische Dichtungen 30 vorgesehen sind, um das
Eindringen von Flüssigkeit von außen längs der Motorwelle
in den Motor zu verhindern. Der Windungsaufbau 32 des
Motors ist etwas schematisch dargestellt. Normalerweise
kann der Motor ein Induktionsmotor mit einer dreiphasigen
Käfigwicklung sein, wobei die Statorwindungen 32 das
Motorfeld bilden. Die Pumpeneinheit kann in die
Flüssigkeit der Bohrung über ein Rohr gehängt werden, das
am oberen Ende der Pumpe angeschraubt ist, und die Pumpe
kann durch dieses Rohr hindurch fördern. Wahlweise kann
die Pumpeneinheit auch eine an einem Kabel aufgehängte
Einheit sein, und wenn gewünscht, kann die Pumpe durch ein
Förderrohr hindurch fördern. Es sind bereits verschiedene
Bauarten von Tauchpumpeneinheiten bekannt und die
Tauchpumpeneinheit 10 ist nur ein Beispiel einer
Tauchpumpeneinheit, in der die Erfindung angewendet werden
kann.
Fig. 2 stellt in größerer Ausführlichkeit einen
Statoraufbau nach dem Stand der Technik dar. Der
Statoraufbau umfaßt einen Stapel von Stahllamellen 34, an
dessen gegenüberliegenden Enden elektrisch isolierende
Lamellen 36 angeordnet sind. Die Lamellen sind in üblicher
Weise perforiert, um Längsschlitze zu bilden, wie z.B. den
Schlitz 38, die um den Umfang des Stators herum verteilt
sind. Jeder Schlitz enthält eine Schlitzauskleidung 40,
die in Form eines dünnwandigen Schlauches aus
fluorisiertem Äthylenpropylen-Copolymer ausgebildet sein
kann. In die Schlitzauskleidungen sind isolierte
Magnetdrahleiter 42 eingesetzt, um die Statorwindungen zu
bilden, wobei das Wickelmuster der Windungen von der Art
des Motors abhängt, wie dies allgemein bekannt ist. Dort,
wo die Leiter 42 aus den Schlitzauskleidungen austreten,
sind sie mit Glasband 44 umwickelt, das üblicherweise in
der Form von Glasfasergewebe ausgebildet ist und die
austretenden Drähte zusammenbindet, um einen festen Aufbau
zu schaffen, der den elektromagnetischen Kräften
widerstehen kann, die auf ihn während des Motorbetriebes
ausgeübt werden.
Die Leiter 42 können z.B. aus bandumwickelten Drähten
bestehen, in denen ein Kupferdraht mit einem aromatischen
Polyimidband umwickelt ist, z.B. aus Kapton (wie es von
der Firma Dupont verkauft wird). Die Oberfläche des
Bandes, die zum Leiter hingerichtet ist, ist mit einem
fluorisierten Äthylenpropylen-Copolymer, Teflon FEP,
beschichtet, das als Heißschmelzkleber dient. Das
Kaptonband wird dicht um den Kupferleiter herumgewickelt
in einer sich überlappenden schraubenförmigen Art und eine
zweite Lage des Bandes wird in ähnlicher Weise über der
ersten Lage angeordnet. Das Kaptonband wird am Draht und
an sich selbst durch die Anwendung von Wärme angeheftet.
Als mechanisches Hilfsmittel, um die gewünschte Biegung
der Drähte in der zuerst geformten Lage zu erreichen, wird
ein Spulenformblock 46 angewendet. Unterlagen 48, die aus
halbrunden Stücken von Aramid-Blattmaterial (wie z.B.
Nomex) hergestellt sein können, werden in die Schlitze 38
heruntergedrückt, nachdem die Drähte an ihrem Platz sind,
um die Windungsdrähte mechanisch in den Schlitzen
festzuhalten. Elektrisch isolierende Hülsen 50 kleiden das
Innere der Enden des Gehäuses 18 aus und trennen die
Endlagen vom Gehäuse. In Schläuchen 54 elektrisch
isolierte Bleidrähte 52 sind an die Statorwindungen 42
angelötet oder sonstwie mit ihnen verbunden. Ein Stecker
56 am Ende jedes Bleidrahtes dient zum Verbinden der
Statorwindungen mit einem nicht dargestellten Kraftkabel
oder mit einem nachfolgenden Statorabschnitt (wie
gestapelte Abschnitte angewendet werden). Der Statoraufbau
enthält darüber hinaus üblicherweise sogenannten
Mousing-Draht, Nyloncord, zusätzliche Isolierschläuche
oder "Spaghetti" (Isolierschläuche) und andere
wohlbekannte Teile.
Ein anderer, sehr wichtiger Bestandteil des
Isolierungssystems beim Statoraufbau nach dem Stand der
Technik ist ein Lack, der das Innere des Stators
imprägniert. Eine übliche Art von Lack, die hierfür bei
Statoren der dargestellten Art verwendet wird, ist ein
flüssigverdünnter, warmhärtbarer und sinternder Lack, der
ein warmhärtendes Phenolharz enthält, welches mit einem
gesättigten Polyester der isophthalischen Alkyd-Art
modifiziert worden ist, z.B. mit "Hi-Therm BC-325,
Klasse F", wie es von der Firma John C. Dolph Company in
Monmouth Junction, New Jersey, verkauft wird. Ölgefüllte,
elektrische Tauchpumpen-Motoren mit Statoraufbauten der
Art, wie sie in Fig. 2 gezeigt sind, die mit einem solchen
Lack imprägniert sind, sind mehrere Jahre lang von dem
Zessionär der vorliegenden Erfindung verkauft worden und
wurden viel benutzt. Ähnliche Motoren, die von anderen
Herstellern verkauft worden sind, sind ebenfalls in
verbreitetem Gebrauch.
In den letzten Jahren haben vom Zessionär der vorliegenden
Erfindung verkaufte Motoren einen verbesserten,
hydrolytisch stabilen Lack der Art verwendet, wie er in
dem
oben erwähnten US-Patent 42 75 319 erwähnt ist, wobei
dieser Lack die Motorlebensdauer erheblich verlängert hat.
Durch die Anwendung eines solchen Lackes, der auf
Polybutadien-Bestandteilen basiert, wird eine gegen Wasser
widerstandsfähige Barriere auf der Isolierung des Stators
erzeugt. Wasser ist natürlich auch überall dort vorhanden,
wo Öl gepumpt wird, und obwohl die Tauchmotoren mit Öl
gefüllt sind und Bemühungen erfolgt sind, um das Innere
des Motors gegen die Flüssigkeit des umgebenden Bohrlochs
abzudichten, ist das Eindringen von Wasser in die Motoren
weiterhin ein schwerwiegendes Problem. Verbesserte
Abdichtungen und Dichttechniken haben zwar die Probleme
des Eindringens von Wasser etwas vermindert, aber nach
einem längeren Gebrauch tritt dennoch Wasser
unausweichlich in den Motor ein.
Solange, wie der hydrolytisch stabile Lack intakt bleibt,
wird die Isolierung des Magnetdrahtes, der die
Statorspulen bildet, gegen eine Hydrolyse geschützt. Wie
dies oben bereits angedeutet worden ist, erzeugt ein
wechselweiser Lauf und Stillstand des Motors jedoch eine
thermische Ausdehnung und Zusammenziehung (des Öls), die
eventuell zu einem Crack-Vorgang des Lacks führt, so daß
die Isolation des Magnetdrahtes einem hydrolytischen
Angriff ausgesetzt wird, was letztlich zu einer
elektrischen Störung des Motors führt.
Wenn die Isolierung des Magnetdrahtes selbst hydrolytisch
stabil wäre, wäre es nicht notwendig, einen Lack zum
Schutz der Magnetdrahtisolation vor Hydrolyse anzuwenden.
Übliche Magnetdrahtisolationen (wie früher beschrieben)
sind jedoch hydrolytisch nicht stabil. Kürzlich sind mit
hydrolytisch stabiler Isolation isolierte Magnetdrähte
erhältlich geworden, so daß die Möglichkeit entstanden
ist, daß der Einsatz von solchem Magnetdraht für
Statorwindungen eines ölgefüllten Tauchmotors die
Notwendigkeit eines Lackschutzes vermeiden könnte. Der
Lack dient jedoch üblicherweise zusätzlich zu einem Schutz
der Magnetdrahtisolation gegen hydrolytische Angriffe
zusätzlich noch anderen wichtigen Funktionen. Diese
zusätzlichen Funktionen beinhalten das Unterstützen des
Gewichts der Magnetdrahtwindungen, das Vorsehen einer
zweiten elektrischen Isolation und das Einkapseln und
Festlegen (Stabilisieren) der Endwindungen des
Windungspakets. Darüber hinaus schützt der verbesserte
Lack nach dem US-Patent Nr. 42 75 319 nicht nur die
Magnetdrahtisolation vor Hydrolyse; er schützt auch andere
Bestandteile des Isolationssystems, die empfänglich sind
für hydrolytische Angriffe, einschließlich der
Phasenbarrieren (z.B. eine
Nomex-Kapton-Nomex-Laminierung), Isolierhülsen (z.B.
Nomex), und das Band für die Endwindungen (z.B.
Fiberglas). Der Gebrauch einer hydrolytisch stabilen
Magnetdrahtisolation würde daher nicht von sich aus den
Verzicht auf den Lack erlauben.
Die vorliegende Erfindung offenbart einen speziell
konstruierten Statoraufbau, der die Notwendigkeit eines
Lackes vermeidet. Die generelle Ausbildung des
Statoraufbaus, der nach der Erfindung benutzt wird, ist
ähnlich wie derjenige nach dem Stand der Technik, wie er
in Fig. 2 dargestellt ist; Unterschiede werden jedoch
hiernach offenbar werden.
Zunächst einmal verwendet der Statoraufbau nach der
vorliegenden Erfindung, anders als der Statoraufbau beim
Stand der Technik, eine Magnetdrahtisolation, die sowohl
hydrolytisch stabil als auch ölresistent unter allen
Einsatzbedingungen den Motors ist. Die Isolation muß beide
Eigenschaften haben, weil sie im Gebrauch sowohl mit dem
Öl in Berührung kommen wird, das im Motor eingefüllt ist,
als auch mit dem Wasser, das letztlich in den Motor
eintritt.
Hydrolytische Stabilität ist die Fähigkeit, Wasser und
Wasserdampf oberhalb des Siedepunktes zu widerstehen, und
zwar ohne Zerstörung der chemischen Struktur und ohne
erkennbaren Verlust von physikalischen und elektrischen
Eigenschaften. Ölresistenz ist die Fähigkeit, der
Aussetzung von Öl zu widerstehen, ohne erkennbare
Eigenschaft sowohl des chemischen Aufbaus oder der
physikalischen oder elektrischen Eigenschaften.
Für die Zwecke der Erfindung muß die Magnetdrahtisolation
zwar hart und abriebfest sein, aber auch flexibel genug,
um in enge "U-Bogen" gelegt zu werden. Abriebfestigkeit
ist die Eigenschaft, einer gleitenden Reibungseinwirkung
ohne erkennbare Wirkung zu widerstehen. Die
Magnetdrahtisolation muß abriebresistent sein, weil eine
Abriebmöglichkeit nicht vermieden werden kann, obwohl die
Statorwindungen mechanisch unterstützt sind (wie es im
einzelnen hiernach offenbart werden wird). Eine übliche
Magnetdrahtisolation (wie vorher beschrieben) hat nur eine
schlechte Abriebresistenz. Die Magnetdrahtisolation muß
genügend Flexibilität haben, um einem wiederholten Biegen
und Formen während des Aufwickelvorgangs auf die
Statorspulen ohne Brüche, Zerrungen oder einen Verlust von
dielektrischer Stärke zu widerstehen. Die
Magnetdrahtisolation muß eine dielektrische Stärke haben,
die groß genug ist, um die verwendeten Spannungen zu
beherrschen, und muß eine Temperatur im Gebrauch zulassen,
die hoch genug ist für die Temperaturen, denen begegnet
werden muß.
Geeignete Materialien für die Magnetdrahtisolation nach
der Erfindung schließen Polyäther-Ätherketone (PEEK),
Polyätherketone (PEK), und Polybenzimazole (PBI) ein,
wobei PEEK am meisten bevorzugt ist. Ein
PEEK-beschichteter Magnetdraht, wie er nach der Erfindung
verwendet wird, kann z.B. aus einem ausgeglühten festen,
runden Kupferdraht ASTM B 3 in den Maßen 7 bis 14 bestehen,
der mit einem kristallinen oder amorphen PEEK über den
kupfernen Leiter hinweg kontinuierlich ohne Fehlstellen,
Blasen oder Fremdkörper extrudiert worden ist, zu einer
Beschichtungsdicke von 0,1524 mm (0,006 inch) auf jeder
Seite, mit einem gesamten Aufbau von ungefähr 0,3 mm.
Diese Isolation hat eine dielektrische Stärke von ungefähr
400 Volt/mil (ASTM D 149) und ist für eine dauernde
Temperatur von ungefähr 204°C (400°F) geeignet. Die
geringste Störungsspannung beträgt 8000 Volt. Für die
meisten Motor-Arbeitsbedingungen, die bei der Erfindung
betrachtet werden, ist eine dielektrische Stärke von
wenigstens ungefähr 400 Volt/mil und eine dauernde
Temperatur von ungefähr 204°C (400°F) geeignet.
PEEK-isolierte Magnetdrähte sind z.B. von der Firma ICI
Petrochemische und Plastische Abteilung der Imperial
Chemical Industries PLC (als Victrex PEEK) erhältlich.
PEEK hat eine Abriebresistenz von 11 mg/1000 Umläufe, PBI
hat eine Abriebresistenz von ebenfalls 11 mg/1000 Umläufe
und PEK hat eine Abriebfestigkeit von 3 mg/1000 Umläufe.
Der oben erwähnte Wert für die Abriebfestigkeit von PEK
erscheint in "Auswahlhandbuch für Ingenieurmaterialien"
1988, veröffentlicht von der Penton Publishing
Incorporated. Die Werte für PBI und PEEK wurden im
Laboratorium des Zessionärs gemäß ASTM D 4060 ermittelt, in
dem CS 10-Räder und 1000-Gramm-Gewichte benutzt wurden.
Vorzugsweise soll die Abriebfestigkeit einer
Magnetdrahtisolation 25 mg/1000 Umläufe oder weniger sein.
Wie aus der vorangegangenen Beschreibung hervorgeht, muß
eine Magnetdrahisolation, wie sie nach der Erfindung
verwendet wird, eine Kombination von bestimmten
Eigenschaften aufweisen. Materialien, die nicht die
notwendige Kombination von Eigenschaften aufzuweisen
scheinen und daher für einen nach der Erfindung
verwendeten Magnetdraht für ungeeignet erscheinen, sind
z.B. Polyestersulfone (PES), Polyimide, Polyamidimide
(Torlon), Nylon, Polyesters, PVD, Epoxy-Harze,
Perfluoroalkoxy (PFA), Tetrafluoräthylen (TFE), und
fluorisiertes Äthylenpropylen (FEP).
Wesentlich für das Vermeiden von Lack ist das Vorsehen von
anderen Mitteln zum Unterstützen des Gewichts der
Statorwindungen und zum im wesentlichen Festlegen
(Stabilisieren) der Endwindungen des Windungspakets. Nach
der vorliegenden Erfindung werden diese Funktionen durch
Stützblöcke ausgeführt sowie durch ein Band, das die
Endwindungen des Statorwindungspakets an die Stützblöcke
befestigt.
Beim Motor nach dem Stand der Technik, wie er in Fig. 2
dargestellt ist, wurde ein Spulenformblock verwendet, um
eine Endwindung eines ersten Statorwindungspakets zu
formen und unterzubringen, die mit einem geringem
Biegungsradius zusammengepreßt werden muß. Bei der
vorliegenden Erfindung werden jedoch Blöcke dazu
verwendet, um alle Endwindungen des Statorwindungspakets
zu unterstützen und zu stabilisieren und gleichzeitig
einen Spulenformblock für die erste Endwindung zu bilden.
Die Blocks nach der Erfindung unterstützen das Gewicht der
Magnetdrahtwindungen und legen die Endwindungen im
wesentlichen fest. Obwohl sich die Windungen noch leicht
während des Betriebes des Motors bewegen, wird jede solche
Bewegung weitgehend unterdrückt. Die Blocks müssen
hydrolytisch stabile und ölresistente, elektrische
Isolatoren sein, mit einer geeigneten dielektrischen
Stärke und einer ebenso geeigneten Fähigkeit zum Gebrauch
bei hohen Temperaturen. Eine dielektrische Stärke von
wenigstens 300 Volt/mil (ASTM D 149) und eine dauernde
Temperaturfestigkeit von wenigstens 204°C (400°F) sind
ausreichend für die meisten Bedingungen, wie sie nach
dieser Erfindung betrachtet werden. Die Blocks müssen auch
bei der Arbeitstemperatur fest bleiben. Geeignete
Blockmaterialien sind z.B. Polyphenyl-Sulfide (Ryton),
PEEK, Teflon und PBI. Das am meisten bevorzugte Material
ist Ryton, gefolgt von PEEK, PEK und Teflon. Ryton ist von
der Firma Phillips Chemical Company of Bartlesville,
Oklahoma, erhältlich. Es können auch einige
Keramikwerkstoffe, Phenole und Epoxy-Harze verwendet
werden. Die meisten Epoxy-Harze, PES, Torlon, Nylon,
Polyimide und die meisten anderen Kunststoffe verbinden
nicht die benötigten Eigenschaften der hydrolytischen
Stabilität, der Ölresistenz, der Steifheit, der
dielektrischen Stärke und der dauernden
Temperaturfestigkeit.
Blocks von der Art, wie sie bei der Erfindung verwendet
werden, sind in Fig. 4 dargestellt. Wie gezeigt, werden
drei Blocks 58, 60 und 62 verwendet. Die Blocks 58 und 60
haben eine gebogene Form, um sich der Umfangsform der
Endlamellen 36 anzupassen. Der Block 58 ist in
Umfangsrichtung gesehen etwas länger als die Blocks 60 und
62. Der Block 58 hat im Abstand voneinander ein Paar Nuten
64 und 66, während die Blocks 60 und 62 jeweils eine
einzelne Nut, 68 bzw. 70, aufweisen. Die Blocks 58 und 60
sind im allgemeinen rechteckig (aber etwas gebogen, wie
oben erwähnt) und haben sanft abgerundete Ecken 72. Der
Block 62 hat einen Basisabschnitt 73, der im allgemeinen
ähnlich ist wie der Block 60, aber eine geringere
Umfangslänge aufweist, so daß der Basisabschnitt 73 im
wesentlichen flach, jedenfalls eher als gebogen ist. Der
Block 62 hat einen Blockkopf 74.
Wie dies in den Fig. 5 bis 7 dargestellt ist, sind die
Endlagen der Statorwindungen an den Stützblocks mit Hilfe
eines Bandes 76 befestigt. Das Band wird dazu benutzt, die
isolierten Magnetdrahtleiter jeder Endlage zu einem Bündel
zusammenzufassen und die Endlagen auf den Stützblocks zu
befestigen, sowie die Endlagen aneinander zu befestigen
und Phasenbarrieren zu bilden. Das Band muß hydrolytisch
stabil und ölresistent sein. Eine dielektrische Stärke von
wenigstens 300 Volt/mil (ASTM D 149) und eine dauernde
Temperaturbeständigkeit von wenigstens 204°C (400°F) sind
für die meisten Betriebsbedingungen ausreichend, wie sie
nach dieser Erfindung betrachtet werden. Das Band sollte
eine ausreichende Zugfestigkeit haben, vorzugsweise von
2,1 kg/mm2 (3000 psi) oder mehr und es sollte eine
ausreichende Elastizität haben, die es gestattet, das Band
im Gebrauch zu strecken und eine Anpreßkraft auszuüben,
die sicherstellt, daß das Band im aufgewickelten Zustand
unter Spannung bleibt. Ein nichtklebendes Teflonband wird
bevorzugt, aber Bänder aus PEEK, PEK oder PBI können
ebenfalls angewendet werden. Das Glasfaserband, wie es in
Motoren nach dem Stand der Technik zum Sichern der
einzelnen Endwindungen am Spulenformblock angewendet wird,
ist bei der Erfindung nicht brauchbar, da ein solches Band
nicht die erforderliche Kombination von Eigenschaften
aufweist. Die üblichen Bänder aus Gummi oder
PVC-Kunststoff sind ebenfalls nicht brauchbar.
Die Statorwindungen sind im allgemeinen in derselben Art
gewickelt wie die Statorwindungen beim Statoraufbau nach
dem Stand der Technik, wie er in Fig. 2 dargestellt ist.
Die isolierten Magnetdrahtleiter 42 werden (vorzugsweise
kontinuierlich) durch die Schlitzauskleidungen 40 von
Paaren von Statorschlitzen 38 hindurchgewunden, um
Leiter-Bündel zu formen, welche die Statorspulen
darstellen. Ein Teil eines solchen Bündels ist in Fig. 4
dargestellt.
Bei der Herstellung des Stators eines
Dreiphasen-Induktionsmotors nach der Erfindung wird ein
erstes, schraubenförmig mit Band 76 umwickeltes Bündel von
Leitern auf dem Block 58 gebildet, um eine Endwindung 78
der ersten Spule einer ersten Phase zu bilden (siehe
Fig. 5). Die Endwindung 80 einer zweiten Spule der ersten
Phase wird mit Band umwickelt und dann zusammen mit der
Endwindung 78 nochmals mit Band umwickelt. Die Endwindung
82 der dritten Spule der ersten Phase wird mit Band
umwickelt und daraufhin werden alle drei Endwindungen der
Spulen der ersten Phase am Block 58 mit Band befestigt,
das um alle drei Endwindungen und durch die Nuten 64 und
66 gewickelt wird, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist. Ein
ähnlicher Arbeitsgang wird am anderen Ende des
Statoraufbaus durchgeführt, wo identische Blocks zu denen
vorhanden sind, wie sie in Fig. 4 dargestellt sind, um die
Endwindungen an diesem Ende des Statoraufbaus zu
unterstützen. Wenn während des Wickelvorganges der
Statorspulen die Leiter der Statorspulen nicht durch die
Auskleidungen der Statorschlitze und um die Enden des
Stators herumgelegt werden, werden die Endwindungen der
einander gegenüberliegenden Enden des Statoraufbaus dicht
gegen die jeweiligen Blöcke 58 gezogen, so daß diese
Stützblöcke in Eingriff mit den Endlamellen gehalten
werden.
In einem ähnlichen Vorgang des Spulenwickelns und des
Umwickelns werden die Endwindungen 84, 86 und 88 der drei
Spulen der zweiten Phase gebildet, die Endwindungen mit
Band umwickelt und die Endwindungen auf den Stützblock 60
gezogen (mit Hilfe eines um die Spulen und durch die
Schlitze 68 gewundenen Bandes). Derselbe Arbeitsgang wird
am gegenüberliegenden Ende des Stators ausgeführt, so daß
die Endwindungen dicht gegen die jeweiligen Stützblocks 60
an gegenüberliegenden Seiten des Statoraufbaus gezogen
werden und die Stützblöcke eng gegen die Endlamellen
gezogen werden.
Zuletzt werden die drei Endwindungen 90, 92 und 94 der
drei Spulen der dritten Phase gebildet und in derselben
Weise befestigt, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist. In
diesem Fall erfordert der größere Abstand der Endwindungen
von den Endlamellen, das die Endwindungen auf dem
Blockkopf 74 des Blockes 62 befestigt werden, und zwar mit
Hilfe eines Bandes, das um die Endwindungen herum und
durch den Schlitz 70 hindurch gewunden ist. Derselbe
Arbeitsgang erfolgt wiederum auf der gegenüberliegenden
Seite des Stators, so daß die Endwindungen dicht gegen die
Blocks 62 auf gegenüberliegenden Enden des Statoraufbaus
gezogen und die Blocks dicht gegen die Endlamellen
angedruckt werden.
In der vorliegenden Erfindung werden ebenfalls elektrisch
isolierende Hülsen 50 angewendet, aber anstelle von der
Verwendung von blattförmigem Nomex-Material, welches nicht
hydrolytisch stabil ist, werden die isolierenden Hülsen
z.B. aus Teflon, PEEK, PEK, Ryton oder PBI gebildet. Dabei
wird Teflon am meisten bevorzugt, gefolgt von PEEK. Es
können auch einige Phenol-Arten verwendet werden. Das
Material muß ölresistent, zusätzlich aber noch
hydrolytisch stabil sein. Nomex, Kapton und die meisten
Epoxy-Arten sind nicht geeignet. Das Material der
isolierenden Hülsen muß eine ausreichende dielektrische
Stärke und eine ebenso genügende Dauertemperaturfestigkeit
haben. Für die meisten Betriebsbedingungen, die nach
dieser Erfindung betrachtet werden, ist eine dielektrische
Stärke von wenigstens 300 Volt/mil (ASTM D 149) und eine
Dauertemperaturfestigkeit von wenigstens 204°C (400°F)
ausreichend.
Beim Motor nach dem Stand der Technik, wie er in Fig. 2
dargestellt ist, wird eine (nicht dargestellte)
Nylonschnur dazu verwendet, um die Motorleitungen während
des Montagevorganges des Motors in einer Lage zu halten,
daß sie nicht in Kontakt mit der rotierenden Welle oder
der Wellenkupplung kommen. Nylon ist zu
abreibungs-anfällig, um in der vorliegenden Erfindung
angewendet zu werden. Die Befestigung für die
Motorleitungen, wie sie nach der Erfindung angewendet
werden, sollten abriebfest sein und ebenso hydrolytisch
stabil und ölresistent. Für die meisten
Arbeitsbedingungen, wie sie nach der Erfindung betrachtet
werden, ist eine dielektrische Stärke von wenigstens 300
Volt/mil (ASTM D 149) und eine Dauertemperaturfestigkeit
von wenigstens 204°C (400°F) ausreichend. Eine
Zugfestigkeit von wenigstens 2,1 kg/mm2 (3000 psi) ist
wünschenswert. Dünne Bänder aus Teflon, PEEK oder PEK sind
geeignet, wobei das bevorzugte Material Teflon ist. Dabei
wird ein Band gegenüber einer Schnur vorgezogen, weil es
eine größere Berührungsfläche hat.
Bei der vorliegenden Erfindung wird eine getrennte
Phasenbarriere, wie sie beim Statoraufbau gemäß Fig. 2
nach dem Stand der Technik angewendet wird, nicht
benötigt, weil das um die Endwindungen herumgewickelte
Band als Phasenbarriere wirkt. Ebenso sind die Unterlagen
48, die beim Statoraufbau gemäß Fig. 2 verwendet werden,
nicht notwendig, weil das Gewicht der Statorwindungen von
den Stützblocks getragen wird. Alle Mousing-Drähte,
zusätzliche Isolierhülsen oder andere, beim Statoraufbau
verwendete Bestandteile müssen hydrolytisch stabil und
ölresistent sein und müssen eine genügend große
dielektrische Stärke und Dauertemperaturfestigkeit
aufweisen.
Um das Prüfen des neuen Stator-Isolierungssystems nach der
Erfindung ebenso zu erleichtern wie das eines
Standard-Systems, das im Zusammenhang mit Fig. 2
geschildert worden ist und das einen Lack der Art umfaßt,
wie er im oben geschilderten US-Patent 24 75 319 offenbart
ist, wurden mehrere Einheiten einer Vorrichtung gebaut,
die "Statorette" genannt wurde. Im wesentlichen ist jede
Statorette eine verkleinerte Ausführung eines Stators, wie
er gegenwärtig in ölgefüllten, elektrischen
Tauchpumpenmotoren verwendet wird, jedoch mit einem
Wickelmuster, das so aufgebaut ist, daß ein elektrischer
Testvorgang erleichtert wird. Fig. 3 stellt die Hälfte
einer Statorette dar, die längs aufgeschlitzt worden ist.
Die Statorette umfaßt einen Stapel von Stahllamellen 34′,
isolierende Endlamellen 36′, Statorschlitze 38′ und neun
voneinander getrennte Windungen oder Testspulen 1 bis 9,
von denen jede eine zweiadrige Windung a, b ist und jede
acht Windungen aufweist. Die Leiter 42′ der Windungen sind
in Schlitzauskleidungen eingesetzt und die Endwindungen
sind bei dem Standard-Isoliersystem mit Glasgewebebändern
44′ umwickelt und bei dem Isolierungssystem nach der
Erfindung mit Teflonband 44′. Durch eine Einfärbung der
Leiterenden kann a von b unterschieden werden. Nur ein
Ende von jedem Leiterpaar muß erreichbar sein. Einige der
erreichbaren Leiterenden sind in Fig. 3 mit einem Kreis
gekennzeichnet. Das Wickelmuster ist oberhalb von Fig. 3
schematisch dargestellt, wobei die Kreuzungspunkte (und
einige erreichbare Leiterenden) sich im oberen und unteren
Abschnitt der Figur einander entsprechen. Mit Ausnahme des
Wickelmusters sind die zweiadrigen Windungen im
wesentlichen dieselben wie bei einem üblichen Stator. Die
Isolierungsmaterialien sind jene, die auch in einem
üblichen Stator verwendet werden. Es werden normale
Magnetdrähte (wie sie oben beschrieben worden sind) dort
verwendet, wo ein übliches Isoliersystem verwendet wird,
und Magnetdrähte, die mit PEEK beschichtet sind, werden in
dem Fall angewendet, wenn ein System nach der Erfindung
geprüft wird.
Bei einem besonderen Wärmealterungstest, wie er jetzt
beschrieben wird, wird eine Gruppe von üblichen
Statoretten mit einem üblichen Polybutadien-Lack
imprägniert, wie er bei den oben beschriebenen Motoren
nach dem Stand der Technik angewendet worden ist, und eine
zweite Gruppe von Statoretten wird in Übereinstimmung mit
der Erfindung unlackiert belassen. Die Statoretten wurden
einem Spannungsprüftest unterzogen (und zwar vor und nach
der Imprägnierung bei den üblichen Statoretten), um die
Wirkungen jeglicher mechanischer Zerstörung auszuschalten,
die während des Vorganges des Wickelns eingetreten sein
könnten. Die Statoretten wurden dann in Übereinstimmung
mit dem Testlauf geprüft, wie er von den Richtlinien in
der IEEE-Norm 98-1972 abgeleitet worden ist. Jede
Statorette wurde in einen zwei Liter fassenden chemischen
Parr-Autoklaven gestellt, der als Alterungskammer benutzt
wurde, und dessen Temperatur eingestellt werden konnte.
Die Alterungstests wurden bei Nominaltemperaturen von
185°C, 210°C und 235°C durchgeführt. Die Autoklaven wurden
ungefähr zu einem Dreiviertel mit einem üblichen Motorenöl
gefüllt (gerade genügend, um die obersten Endwindungen zu
bedecken) und es wurde ein Glasprüfrohr in die Bohrung der
Statorette eingesetzt, das ungefähr 60 Milliliter
destilliertes Wasser enthielt. Diese Menge Wasser war
ausreichend, um sicherzustellen, daß das System immer mit
Wasser gesättigt ist und einen Überschuß von flüssigem
Wasser haben würde, wodurch ein Zustand des Motors
simuliert wurde, in den Wasser eingedrungen ist.
Dann wurde geschätzt, wie lange es bei einer bestimmten
Statorette bis zur nächsten Störung dauern würde, und der
Vorgang der Wärmealterung wurde zu einem Zeitpunkt
unterbrochen, der ungefähr einem Zehntel der geschätzten
Zeit bis zur nächsten Störung entsprach. Der Autoklav, der
die Statorette hielt, wurde dann auf die Raumtemperatur
abgekühlt und über Nacht in einen Gefrierschrank mit -40°C
gestellt. Daraufhin wurde er aus dem Tiefkühlschrank
herausgenommen und er konnte sich auf Raumtemperatur
erwärmen, worauf die Statorette aus dem Parr-Autoklaven
entnommen und einem Spannungsprüftest unterzogen wurde, um
das Maß der Unverletztheit zu überprüfen, die im
dielektrischen System verblieben war.
Das benutzte elektrische Testgerät war ein dielektrisches
Hipotronics-Testgerät mit 30 KV und 60 Hz. Die
Prüfspannungen, die bei den elektrischen Testvorgängen in
jedem Prüflauf des Wärmealterungstestes angewendet wurden,
wurden auf einen Betrag angesetzt, der ungefähr 10% höher
ist als die höchste Spannung, die im normalen Gebrauch des
Motors je zu erwarten war. Es wurden drei Arten von
Spannungstests angewendet. Bei einem Test wurde eine
Spannung von 500 Volt RMS zwischen den beiden Drähten
angewendet, die in einer zweiadrigen Windung angeordnet
sind. Dies schaffte eine Spannungsbelastung durch den
isolierenden Film auf den beiden, jeweils ungefähr sechs
Fuß langen Drahtlängen hindurch, die Teil einer
besonderen, zweiadrigen Spule sind. Eine zweite Art des
Spannungstestes war die Anwendung einer Spannung von
3500 Volt RMS zwischen den beiden Drähten von einer der
zweiadrigen Spulen und den Statorlamellen. Dies ergab eine
Spannungsbelastung quer durch den Drahtisolierungsfilm und
danach durch das Schlitz-Auskleidungsmaterial. Beide
Leiter der zweiadrigen Spule wurden für diesen Test
parallel gelegt. Ein dritter Test war die Anwendung einer
Spannung von 3500 Volt RMS zwischen zwei benachbarten
zweiadrigen Spulen. Mit anderen Worten, wurden die beiden
Drähte z.B. in Spule 1 parallel geschaltet und die beiden
Drähte, z.B. in der Spule 2, wurden ebenfalls parallel
geschaltet und eine Spannung wurde zwischen diesen Spulen
angelegt. Das Statoreisen war während des Testes fließend
(floating) und der Spannungstest wurde im wesentlichen
durch die Endwindungen der Spulen angewendet. Dieser Test
ergab eine Spannungsbelastung zwischen den Endwindungen an
den Kreuzungspunkten.
Anhand der vorbeschriebenen Tests konnte eine Beurteilung
der Unversehrtheit der Magnetdrahtisolation, der
Grundisolation und der Isolation auf den Endwindungen
angestellt werden. Ein Verluststrom von mehr als
15 Milli-Amper wurde als ein Anzeichen für eine Störung
betrachtet. Eine Störung (Spannungsverlust) in nur einem
von den drei Spannungstests wurde als eine Störung des
Testmusters angesehen.
Nach dem Abschlueß des Spannungstests jedes Prüfungslaufes
wurde die Statorette in den Parr-Autoklaven zurückgestellt
und der Wärmealterungsprozeß wurde für eine Zeitdauer
fortgesetzt, die gleich lang war wie die erste
Alterungsperiode. Das abwechselnde Altern und elektrische
Prüfen wurde dann fortgesetzt, um die wirkliche
Lebensdauer vor einer Störung zu ermitteln.
Die Auswertung der geschaffenen Prüfdaten erfolgte in
enger Anlehnung an den "Führer für die statistische
Auswertung von Daten über thermische Lebensdauer - IEEE
Norm 101-1972". Die Seiten bis zu einer Störung bei einer
gegebenen Temperatur wurden, kurz gesagt, statistisch
ausgewertet und in einer statistischen Verteilungskurve
aufgezeichnet. Aus der statistischen Auswertung der
Verteilung der Zeiten bis zu einer Störung bei einer
gegebenen Temperatur wurde die Zeit bis zu einer 50%igen
Wahrscheinlichkeit einer Störung abgeleitet.
Die Laboratoriumsprüfungen ergeben einen Zeitraum bis zu
einer 50%igen Wahrscheinlichkeit einer Störung für das
Isolierungssystem mit dem normalen Lack und Magnetdraht
von 2284 Stunden bei 235°C, wobei der Druck im Autoklaven
460 psia ist. Nach 14458 Stunden Alterungszeit bei 235°C
haben sich demgegenüber keine Störungen bei der
unlackierten Statorette ergeben, bei der ein
PEEK-beschichteter Magnetdraht verwendet worden ist. Für
die Statoretten nach der Erfindung ist eine 50%ige
Wahrscheinlichkeit einer Störung bei 235°C in
wassergesättigtem Öl mit wenigstens 100% länger als 2284
Stunden ermittelt worden, nämlich mit 4568 Stunden. Die
Prüfungsergebnisse zeigen klar eine überlegene Lebensdauer
von ölgefüllten, elektrischen Tauchpumpen-Motoren, die
gemäß der Erfindung hergestellt worden sind.
Bei einem anderen Laboratoriumstest wurden eine
unlackierte und eine lackierte Motorette verwendet (eine
Motorette ist ein Motor mit einem einzelnen Rotor, wie
oben beschrieben, aber ohne das Gehäuse 18 gemäß Fig. 2);
sie wurden bei 165°C (330°F) mit festgehaltenem Rotor
betrieben. Die Motoretten wurden 64000mal dem Testzyklus
unterworfen, ohne daß elektrische Störungen aufgetreten
wären. Dieser Test bringt exteme Belastungen auf die
Endwindungen. Die Erregung der Statorwindungen wird für 10
Sekunden aufrechterhalten und dann für 60 Sekunden
nachgelassen. Die Zyklen werden in dieser Weise bis zu
einer Störung fortgesetzt oder bis zu einer genügend hohen
Zahl, um sicherzustellen, daß eine Bewegung der
Endwindungen nicht zu einer Motorstörung führen würde.
Parallel zu der unlackierten Motorette wurde eine
normallackierte Motorette geprüft und in beiden Motoretten
trat bei derselben Anzahl von Prüfläufen keine Störung
auf, aber die lackierte Motorette erreichte eine 10 bis
15°F höhere Temperatur.
Ein Hauptschlußmotor TRW Reda 540 mit 50 PS wurde nach der
Erfindung hergestellt, in einer Testbohrung angeordnet und
in Verbindung mit einem normallackierten 540
Hauptschlußmotor betrieben. Diese Motoren wurden (mit
festgelegtem Rotor) bei 93°C (200°F) in Wasser bei einer
vollen Spannung von 1370 Volt und einer Stromaufnahme von
23 Amp bei 60 Hz geprüft. Dabei zeigten
Temperaturberechnungen, daß der lackierte Motor in den
Windungen 12°F wärmer war als der unlackierte Motor. Beide
Motoren durchliefen mehr als 10 000 Testläufe ohne Störung.
Dies sind beträchtlich mehr Starts und Stops als ein Motor
im normalen Gebrauch erleben wird (weniger als 100).
Zuletzt wurde ein 160 PS starker 115 Volt 540
Hauptschlußmotor nach der vorliegenden Erfindung gebaut
und in einer Testbohrung als Antriebsmotor für Testpumpen
betrieben. Dieser Motor lief 672 Stunden mit 165 Starts
und Stops, bis eine Lagerstörung den Versuch beendete.
Durch die Erfindung wurden die Zeit und die Kosten zum
Imprägnieren des Statoraufbaus mit Lack vermieden. Ebenso
werden elektrische Störungen aufgrund von Lackbrüchen
vermieden. Ein unerwarteter Erfolg des unlackierten
Statoraufbaus ergibt sich ferner dadurch, daß der Motor im
Betrieb wesentlich kühler bleibt, weil das in den Motor
eingefüllte Öl in direktem Kontakt mit der
Magnetdrahtisolation ist und frei durch die Schlitze des
Stators und um die Endwindungen der Statorwindungen
zirkuliert. Die Erfindung bewirkt eine erhebliche
Ausdehnung der Lebensdauer von Motoren, die bei derselben
Temperatur betrieben werden, wie Motoren nach dem Stand
der Technik und ermöglicht billigere Motoren, die auch bei
höheren Temperaturen betrieben werden können, als das
bisher möglich war. Das Weglassen des Lackes schaltet auch
eine wesentliche Quelle der Verunreinigung des Motoröls
aus. Wenn der Lack im Betrieb altert, tendiert er dazu,
sich zu zersetzen, wobei kleine Flocken oder Lackteilchen
im Öl abgelagert werden. Dies vermindert und zersetzt die
schmierenden und elektrischen Isolationseigenschaften des
Öls.
Ein weiterer Vorteil des Weglassens des Lackes wird beim
Vorgang des Reparierens und Wiederaufbauens eines Stators
ersichtlich. Ein unlackierter Stator kann leicht neu
gewickelt werden, ohne daß es notwendig ist, Lack zu
entfernen und den Stator durch und durch zu reinigen,
bevor ein lackierter Stator wieder aufgebaut werden kann.
Diese Erleichterung des Entfernens des Drahtes von einem
unlackierten Stator erleichtert die Fehlersuche, weil die
Sichtbarkeit eines Fehlers während der Lackentfernung
nicht zerstört wird.
Das Aufwickeln der Leiter bei einem unlackierten Stator
wird durch das Fehlen einer konventionellen
Wickelisolierung der Magnetdrähte erleichtert. Der
isolierte Magnetdraht, wie er bei der Erfindung verwendet
wird, hat eine glatte Oberfläche und ist leichter
aufzuwickeln. Das Fehlen eines gewickelten
Isolierungsaufbaus beim üblichen Magnetdraht, wie er in
einem lackierten Stator verwendet wird, vermeidet auch
eine mögliche Quelle für elektrische Störungen. Eine
Bewegung des Magnetdrahtes, die sowohl elektrisch als auch
mechanisch während des Bewegungsablaufs des Motors erzeugt
werden kann, erzeugt eine Reibung des gewickelten
Isoliermaterials gegen sich selbst oder gegen ein anderes
Material, woraus Abrieb, Absplitterung, Brüche oder eine
generelle Zerstörung der Isolation resultieren kann, die
eventuell zu einer elektrischen Störung führt. Darüber
hinaus stellen die Wickelsäume des um den Magnetdraht
herumgewickelten Isolierbandes eine dem Isolationssystem
innewohnende Schwachstelle dar. All dies wird nach der
vorliegenden Erfindung vermieden.
Obwohl unlackierte Statoren schon bei Motoren für niedrige
Temperatur und Leistungsbereiche bereits, z.B. für
Wasserpumpen, verwendet worden sind, sind solche Motoren
bisher mit Wasser gefüllt worden und bei diesen niedrigen
Temperatur- und Leistungsbereichen waren die Funktionen
des Lacks, wie er in ölgefüllten Motoren eingesetzt wird,
nicht erforderlich. In ölgefüllten Motoren sind lackierte
Statoren seit Jahrzehnten verwendet worden und der Lack
ist als ein wesentlicher Bestandteil des
Stator-Isolierungssystems angesehen worden. Die
vorliegende Erfindung, die im Gegensatz zu den Lehren des
Standes der Technik steht, hat einen klar überlegenen
Motor hervorgebracht.
Obwohl eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
beschrieben und gezeichnet worden ist, ist es für den
Fachmann klar, daß bei dieser Ausführungsform Änderungen
vorgenommen werden können, ohne von den Prinzipien und dem
Geist der Erfindung abzuweichen, deren Schutzbereich in
den angefügten Ansprüchen umrissen ist. Zum Beispiel
können andere als die beschriebenen Materialien für die
Bestandteile des Isolierungssystems nach der Erfindung
verwendet werden, vorausgesetzt, daß sie die benötigte
Kombination von beschriebenen Eigenschaften aufweisen.
Gefüllte (verstärkte) Ausführungen von einigen Materialien
können verwendet werden, wenn die Füllung mit den nach der
Erfindung geforderten Eigenschaften verträglich ist.
Obwohl die Erfindung sich prinzipiell auf Motoren bezieht,
die für den Einsatz in Hochtemperaturbereichen bestimmt
sind, so z.B. bei 204°C (400°F), können sich auch
Möglichkeiten ergeben, bei denen die Motoren, die nach
dieser Erfindung konstruiert sind, für den Einsatz in
niedrigeren Temperaturbereichen bestimmt sind, so z.B. bei
101°C (215°F) oder darüber. In diesem Fall kann die
Dauertemperaturfestigkeit der verschiedenen, bei dem
Isolierungssystem verwendeten Materialien geringer sein
als 204°C (400°F). Obwohl ferner die Erfindung prinzipiell
bestimmt ist zum Einsatz in Motoren, die eine
Betriebsspannung haben, die hoch genug ist, um
dielektrische Stärken von z.B. 300 bis 400 Volt/mil zu
erfordern, können sich Gelegenheiten ergeben, bei denen
Materialien mit niedriger dielektrischer Stärke
ausreichend sein wird, vorausgesetzt, daß die geforderte
Kombination von anderen Eigenschaften, so z.B. der
hydrolytischen Stabilität, der Ölresistenz und der
Abriebfestigkeit, vorhanden ist.
Claims (11)
1. Ölgefüllter, elektrischer Tauchpumpen-Motor mit
einem unlackierten Statoraufbau, dadurch
gekennzeichnet, daß die Statorwicklungen
durch Leiter gebildet werden, die mit einer hydrolytisch
stabilen, ölresistenten und abriebfesten Isolation
beschichtet sind, die dem Öl im Motor ausgesetzt ist,
wobei die Wicklungen Endwindungen haben, die auf
hydrolytisch stabilen, ölresistenten und elektrisch
isolierenden Mitteln angebracht sind, um diese
Endwindungen im wesentlichen festzulegen.
2. Motor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Isolierung der
Leiter aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus PEEK, PEK
und PBI besteht.
3. Motor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Isolierung der
Leiter eine dielektrische Stärke von wenigstens
400 Volt/mil und eine Dauertemperaturfestigkeit von
wenigstens 204°C (400°F) hat.
4. Motor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die elektrisch
isolierenden Mittel eine Vielzahl von Blöcken enthalten,
die die entsprechenden Endwindungen der Wicklungen
unterstützen, wobei diese Blöcke an die entsprechenden
Endwindungen mit Hilfe von hydrolytisch stabilem,
ölresistentem und elektrisch isolierendem Band befestigt
werden, das um die Endwindungen und die Blöcke
herumgewickelt wird.
5. Motor nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Blöcke im
wesentlichen steif und das Band im wesentlichen elastisch
ist.
6. Motor nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Blöcke und das
Band eine Dauertemperaturfestigkeit von wenigstens 204°C
(400°F) haben und daß das Band eine dielektrische Stärke
von wenigstens 300 Volt/mil hat.
7. Motor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Motor ein
Metallgehäuse hat, das den Statoraufbau enthält, sowie
elektrisch isolierende Hülsen, die das Innere dieses
Gehäuses im Bereich der Endwindungen auskleiden, wobei
diese Hülsen hydrolytisch stabil und ölresistent sind.
8. Motor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Statoraufbau eine
50%ige Wahrscheinlichkeit einer Störung erst nach
wenigstens 4568 Stunden bei 235°C in wassergesättigtem Öl
hat.
9. Ölgefüllter, elektrischer Tauchpumpen-Motor mit
einem unlackierten Statoraufbau, dadurch
gekennzeichnet, daß die Statorwicklungen
durch Leiter gebildet werden, die mit hydrolytisch
stabilem, ölresistentem und abriebfestem Isoliermaterial
beschichtet sind, das dem Öl im Motor ausgesetzt ist,
wobei die Wicklungen Endwindungen haben, die auf
hydrolytisch stabilen, ölresistenten und elektrisch
isolierenden Blöcken angeordnet sind und daran durch
hydrolytisch stabile, ölresistente und elektrisch
isolierende Bänder befestigt sind, die um die Endwindungen
und die Blöcke herumgewickelt sind, wobei die Blöcke im
wesentlichen starr und die Bänder im wesentlichen
elastisch sind, und wobei der Statoraufbau eine 50%ige
Wahrscheinlichkeit einer Störung erst bei wenigstens 4568
Stunden bei 235°C in wassergesättigtem Öl hat.
10. Motor nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Isolation der
Leiter eine dielektrische Stärke von wenigstens
400 Volt/mil und eine Dauertemperaturfestigkeit von
wenigstens 204°C (400°F) hat und wobei die Blöcke und das
Band ebenfalls eine Dauertemperaturfestigkeit von
wenigstens 204°C (400°F) haben und das Band eine
dielektrische Stärke von wenigstens 300 Volt/mil hat.
11. Motor nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß der Motor ein
Metallgehäuse hat, das den Statoraufbau enthält und
elektrisch isolierende Hülsen aufweist, die das Innere des
Gehäuses im Bereich der Endwindungen auskleiden, wobei
diese Hülsen hydrolytisch stabil und ölresistent sind.
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