SE520850C2 - Stator till en elektrisk växelströmsmaskin - Google Patents

Description

20 25 30 35 520 850 ställe utan för att överhuvudtaget fysiskt separera sådana slingor från varandra så kallade mellanlägg, varvid dessa i fallet av flera faser och då slingorna således tillhör olika faslindningar dessa kallas fasmellanlägg, av ett isolerande material, vanligtvis ark. av' polyesterfibrer eller aramid- fibrer, polyesterfiln1 eller laminatkombinationer av' dessa material. Dessa mellanlägg anordnas för att förhindra överslag mellan ledarna hos slingorna tillhörande olika lindningar på grund av de potentialskillnader som föreligger mellan dessa. Sådana mellanlägg har ansetts vara nödvändiga även om den respektive ledare omgivande isoleringsmanteln i sig är dimensionerad för att tåla de uppträdande potential- skillnaderna utan någon risk för överslag eller lokala partiella urladdningar, så kallade glimurladdningar, vilka skulle kunna förstöra isoleringen och leda till fallerande av motorn. Det är nämligen sä att vid hanterandet av tràd- _härvorna för att applicera dem pà plats i statorn, vanligt- vis genom så kallad plocklindning, utsätts dessa, inte minst på grund av kravet pà så stor fyllnadsgrad och korta härv- ändor som tillsammans ger så tät packning som nbjligt, för mekaniska pàkänningar som kan ge sprickbildningar och skrapskador som försämrar isoleringsmantelns spänningstàlig- het pà vissa ställen. Vidare utsätts lindningarna speciellt i frekvensomriktardrift stundom för relativt snabba tempe- raturväxlingar, vilka har en tendens att genom kontraktioner och expansioner av isoleringsmanteln genom sprickbildning lokalt sänka respektive tràds genomslagsfältstyrka markant.

Nämnda mellanlägg har hittills applicerats för hand, vilket har' krävt betydande tid. och resurser. Dessutonl har denna applicering för hand normalt pàtvingat ett applicerande av en lindning ät gängen hos växelströmsmaskinen i fràga och därefter applicerande av ett lager mellanlägg på denna för hand innan statorkroppen kan àterföras till en automatiserad process för att applicera nästa lindning. Detta betyder att avsevärda störningar i den automatiserade processen och 10 15 20 25 30 35 520 850 tillkommande tidsåtgång uppstår vid applicerandet av nämnda mellanlägg. Det har försökts att mildra denna olägenhet ge- nom att applicera samtliga lindningar pà statorkroppen i ett svep och därefter söka pressa ned nämnda nællanlägg mellan de olika härvslingorna som skall separeras från varandra, men detta är krångligt och för vissa typer av maskiner inte alls görligt.

Genom US 4 227 106 är en stator till en elektrisk växel- strömsmaskin tidigare känd, hos vilken fasmellanläggen har utelämnats, och det anges att detta har kunnat göras genom att huvud- och hjälplindningarna har placerats på ett spe- ciellt sätt, så att spänningarna mellan de delar som ligger intill varandra blir tillräckligt låga för att ” insulation ladders” skall kunna undvikas. Det framgår" emellertid att packningen av lindningarna ej är speciellt tät, och någon _tanke ägnas inte åt att de mekaniska påkänningar som lind- skulle tràdhärvorna skulle kunna nödvändiggöra ett placerande av ningarna kunna utsättas för vid hanterandet av mellanlägg mellan dessa. Det problem som föreliggande upp- finning söker lösa har överhuvudtaget inte beaktats hos sta- torn enligt mothållningen.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en stator av det slag som anges i ingressen hos föreliggande ansökans patentkrav 1, vilken har en stor fyllnadsgrad och tät packning av härvslingorna och ändock en hög spännings- tålighet i kombination med en möjlighet till effektiv till- verkning därav.

Detta syfte uppnås enligt uppfinningen genom att en sådan stator är kännetecknad av kombinationen av à ena sidan att tràdarnas isoleringsmantel innefattar ett ledaren omgivande elektriskt isolerande inre skikt och ett yttre skyddsskikt 10 15 20 25 30 35 520 850 av ett material med hög resistens mot mekanisk påverkan och snabba temperaturförändringar och å andra sidan att slingor- na tillhörande olika lindningar på nämnda ena ställe är i anliggning mot varandra eller inbördes separerade av endast luft och tillåts komma till anliggning mot varandra, och av att det yttre skiktet är bildat av en organisk polymer för- sedd med ett fyllmedel i pulverform, och att fyllmedlet ut- gör åtminstone 10 volym-% av det yttre skiktet och är bildat av Crgg, Fegg eller en blandning av Crgk och Fegg.

Härigenom blir det möjligt att på nämnda ställe klara sig utan nämnda mellanlägg mellan slingor tillhörande olika lindningar trots tät packning och relativt hàrdhänt hante- rande av slingorna vid applicerande av lindningshärvorna i statorkroppen.

*Det medges att en tråd av det slag som här använts för att undvika behovet av nämnda mellanlägg i och för sig är tidi- gare känd genom sökandens eget svenska patent 457 031, men där används denna tråd endast för att den har förmåga att klara höga spänningar' utan. glimning, och någon. tanke har inte ägnats på problem med mekaniska pàkänningar.

Föreliggande uppfinning grundar sig således på den. över- raskande upptäckten och insikten att en tråd av det slag som finns beskriven i svenska patentet 457 031 kan användas i statorer hos elektriska växelströmsmaskiner hos vilka önske- mål finns om en tät packning av härvslingorna under samtidig förhållandevis hårdhänt behandling därav för att till en låg produktionskostnad. erhålla en. hög fyllnadsgrad. utan. något avkall på trådarnas spänningstàlighet. Det är således något helt nytt att utnyttja den mekaniska tuffhet som en tråd av detta slag har visat sig ha för att lösa det problem som ligger till grund för föreliggande uppfinning. Ingenting hos den tidigare kända tekniken antyder att det skulle vara möj- ligt eller ens önskvärt att klara sig utan nämnda mellanlägg 10 15 20 25 30 35 520 850 vid tät packning och hårdhänt hantering av lindningarna ge- nom användande av någon typ av ledare med tillräckligt hög beständighet mot mekanisk åverkan. US 4 227 106 visar endast att det går att klara sig utan xnellanlägg onl huvud- och hjälplindningarna anordnas på ett visst inbördes sätt, men det sägs ingenting om att det skulle vara själva materialet på trådarna som gör detta möjligt och att någon hàrdhänt hantering därav skulle kunna accepteras.

Genom uppfinningen kan således arbetsmomentet att applicera ett mellanlägg mellan nämnda lindningar på åtminstone nämnda ena ställe undvikas och därigenonx manuell arbetstid och resurser sparas. Därvid blir inbesparingen som störst, då, såsom är fallet hos en föredragen utföringsform av uppfin- ningen, slingor tillhörande olika lindningar ligger tätt ihop på flera ställen och är på samtliga dessa ställen i an- liggning mot varandra eller inbördes separerade av endast luft, då i nämnda mellanlägg kan helt bortfalla och det blir möjligt ett sådant fall arbetsmomentet att applicera att applicera samtliga lindningar i ett enda arbetssteg eller omedelbart efter varandra i en automatiserad process utan mellanliggande avlägsnande av statorkroppen från denna process.

Det påpekas att det med definitionen "eller inbördes sepa- rerande av endast luft" avses bringas till uttryck att det inte finns något extra isoleringselement mellan slingor tillhörande olika lindningar på ifrågavarande ställen, men det är naturligtvis fullt möjligt att de är separerade av stelnat impregneringsmedel, såsom impregneringsharts, med vilket hela lindningshärvorna dränkts in för stabilisering därav.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är det yttre skyddsskiktet av det inre isoleringsskiktet nbt glimning skyddande material. Genom att förläna det yttre 10 15 20 25 30 35 520 850 skyddsskiktet leringsmantel även denna egenskap kommer tràdarnas iso- att tàla. högre spänningar, så att det även under extrema förhàllanden ej är av någon nackdel att nägra mellanlägg ej finnes mellan de olika lindningarna där dessa ligger tätt intill varandra.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är den organiska polymeren en konventionell tràdisoleringslack.

Exempel pà sàdana lacker anges i ovan nämnda svenska patent, _fördelaktigt för de egenskaperna hos tràdisoleringen samt appliceringen av denna och det har befunnits efterfrågade att den organiska polymeren föreligger i denna form.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är det yttre skiktet tunnare än det inre skiktet, vilket är fördelaktigt för att bibehålla de dielektriska förlusterna i _ isoleringen pà en läg nivà.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är lindningarna. bildade av' sä kallad. PREST-träd. vilken. är framtagen av sökanden ocht är föremål för ovan Denna träd, nämnda svenska patent, har visat sig giva lindningar, vars trådar motstâr mekaniska pàkänningar, snabba temperatur- förändringar samt höga spänningar utan anordnande av nämnda mellanlägg pà ett bättre sätt än tidigare kända statorer med lindningarna uppbyggda av traditionell träd och med nämnda mellanlägg.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är statorn utformad för en trefasmaskin och uppvisar en lind- ning för varje fas, och de olika lindningarna ligger genom slingor axiellt utanför statorkroppen pà skilda ställen tätt ihop i anliggning mot varandra eller inbördes separerade av endast luft. arbetsmoment in, dä hos en tidigare känd stator hos en sàdan I fallet av en sàdan trefasmaskin sparas två maskin mellanlägg mäste appliceras först efter anbringande 10 15 20 25 30 520 850 av en första faslindning i statorkroppen och sedan efter ett därpå följande anbringande av en andra faslindning i stator- kroppen, vilket innebär en betydande nærtid i. förhållande till uppfinningen, då statorkroppen mäste två gånger avlägs- robot eller dylikt, cerandet av lindningshärvorna i statorkroppen. nas fràn den naskin, som utför appli- Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är statorns lindningar utformade att anslutas till en anordning för frekvensomriktardrift av en växelströmsmotor av vilken statorn bildar del. Det är just vid sådan frekvensomriktar- drift av växelströmsmotorer som det hittills varit viktigt att ha nämnda mellanlägg pà grund av de termiska variationer bland annat pà grund av de övertonsströmmar som alstras och ger som lindningshärvorna utsätts för ivid sådan drift, upphov till extra strömvärmeförluster jämfört med om motorn _skulle ha körts direkt pá nätspänning.

Ytterligare fördelar med samt fördelaktiga särdrag hos uppfinningen framgår av den efterföljande beskrivningen samt övriga osjälvständiga patentkrav.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Hår nedan beskrivs först i korthet en stator enligt tidigare känd teknik och sedan en stator enligt en föredragen ut- föringsform av uppfinningen under hänvisning till bifogade ritningar, pà vilka: Fig 1 och 2 i förenklad perspektivvy framställer en tidigare känd stator under olika stadier av dess framställ- ning, lO 15 20 25 30 35 520 850 fig 3 är en fig 2 motsvarande vy av en stator enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen, men med samtliga lindningar applicerade i statorkroppen, fig 4 är en mycket förenklad, delvis skuren vy av statorn i fig 3 betraktad i radiell riktning, fig 5 är en i likhet med fig 4 förenklad vy av statorn enligt fig 3 i axiell riktning, fig 6 är en förenklad snittvy genom en del av en träd använd för lindningarna hos statorn enligt fig 3, och fig 7 är ett diagram illustrerande temperaturvariationer hos lindningarna i statorer under en procedur av jämförande tester av statorer enligt känd teknik och enligt uppfinningen.

KORT BESKRIVNING AV EN STATOR ENLIGT TIDIGARE KÄND TEKNIK I fig 1 och 2 illustreras schematiskt hur en stator till en elektrisk trefas växelströmsmotor för sinusmatning eller med frekvensomriktarmatning framställes. Statorn uppvisar en statorkropp 1 av järn anordnad att i sitt inre 2 mottaga en icke visad rotor. Motorn är fyrpolig, och det illustreras i fig l hur en första faslindning 6 av härvor av trådar med av en. egen isoleringsmantel omgivna ledare 4 löper* franl och äter väsentligen i statorkroppens axiella riktning genom att vara mottagna i. axiella spàr 55 hos statorkroppen. Därvid vänder härvorna genom slingor 3 anordnade axiellt utanför statorkroppen JH Härvorna dras iJ1 i nämnda spår för hand eller genom en maskin, varvid trådarna utsätts för mekanisk påverkan och vid konventionellt utformade trådar kan de skadas, exempelvis genom lokala sprickbildningar och bort- skrapning av isolation. Det är nämligen viktigt att fä in sä 10 15 20 25 30 35 520 850 många trådar som möjligt per spår 5, vilket medför betydande påkänningar på dessa när de förs genom spåren. När en faslindning bringas på plats limmas på insidan av denna runtom så kallade fasmellanlägg 7 av isoleringsmaterial, exempelvis ark av polyesterfibrer, såsom illustreras i fig 1. Detta görs för' hand, och tar en icke oansenlig tid i anspråk. Dessutom näste statorkroppen vanligtvis avlägsnas från arbetsstationen, hos vilken statorlindningarna appli- ceras. När' sedan. dylika fasmellanlägg applicerats runtom- gående förs härvorna tillhörande en andra faslindning 8 in i därför avsedda spår 5, på liknande sätt som den första faslindningen 6. Därvid kommer slingor tillhörande olika lindningar att ha ett fasmellanlägg nællan sig, vilket är speciellt viktigt där de löper tätt förbi varandra, såsom i dessas korsningspunkter i den region 9 där härvslingorna 3 föds ur en axiellt löpande del av respektive härva respek- _tive övergår i en sådan. När detta gjorts anbringas sedan på ovan beskrivet sätt fasmellanlägg på insidan av slingorna tillhörande den andra faslindningen 8 innan den tredje faslindningen appliceras på samma sätt.

Det illustreras i fig 4 hur härvorna tillhörande de olika faslindningarna löper i statorkroppens axiella riktning på väsentligen samma avstånd från statorns axel, så att de läm- nar statorkroppen vid punkter liggande väsentligen utmed en gemensam omkrets kring statorns axel. Därvid överlappar slingor tillhörande olika lindningar varandra vad gäller ut- sträckningen i statorns omkretsriktning, så att härvslingor tillhörande olika lindningar har att sträcka sig på olika avstånd från statorns axel, såsom illustreras i fig 2, där den första faslindningens slingor 6 är böjda radiellt utåt med. avseende på slingorna tillhörande den andra faslind- ningen 8. Såsom framgår av fig 1 och 2 kommer därvid tre i omkretsriktningen på varandra följande spår att vara Vigda för den första faslindningen, de tre därpå följande för den 10 15 20 25 30 35 520 850 lO andra faslindningen, och slutligen de tre nästkommande för den tredje faslindningen, varpå detta upprepas fyra gånger. Även av fig 5 framgår denna anordning av faslindningarna, vilken i sig är konventionell, och dessa faslindningar app- liceras genom så kallad plocklindning. Därvid är den tredje faslindningen försedd med hänvisningsbeteckningen 10.

DETALJERAD BESKRIVNING AV EN FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM AV UPPFINNINGEN I fig 3 illustreras en stator enligt en föredragen ut- föringsfornx av' uppfinningen, och i. denna figur' har samma hänvisningsbeteckningar använts för element som har sin mot- svarighet hos statorn illustrerad i fig 1 och 2. Den uppfin- ningsenliga statorn. skiljer sig från den enligt tidigare _känd teknik genom att inte några fasmellanlägg är anordnade mellan de olika faslindningarna, utan dessa tillåts komma i anliggning mot varandra, där detta är nödvändigt. Härigenom blir av förklarliga orsaker processen för applicerande av statorlindningarna betydligt förenklad. i förhållande till den tidigare kända tekniken.

Detta möjliggörs genom uppbyggnaden av den isoleringsmantel som omger ledaren hos de trådar som används i lindningarna hos den uppfinningsenliga statorn, och hur denna isolerings- mantel är uppbyggd framställs schematiskt i fig 6, som är ett längssnitt genom en del av en sådan tråd. Tråden i fråga är en så kallad PREST-tråd, såsom denna finns beskriven i sökandens egna svenska patent 8701214-2, vilket innebär att tràdens elektriska ledare ll är omgiven av en isolerings- mantel 12, vilken är bildad av ett inre skikt 13 av isole- ringsmaterial, film, polyimid, såson1 exempelvis en prefabricerad polymer- exempelvis av polyester, polyesterimid, polyamidimid, polypropylen dylikt. Utanför det skiktet 13 är ett yttre skyddsskikt 14 av ett material med eller inre 10 15 20 25 30 520 850 ll hög resistens mot mekanisk påverkan och snabba temperatur- förändringar och även med en hög glimningsresistens anord- nat. Därvid är det yttre skiktet bildat av en organisk polymer, såsom en konventionell trådisoleringslack, såsom av polyesterimid, eller dylikt, till åtminstone 10 volym-%, lämpligen mellan 10 och 40 av det yttre skiktet, varvid fyllmedlet är bildat av Crgg, Fegg eller en blandning av Cr¿% och Fefg. polyamidimid, polyuretan, epoxiharts vilken är försedd. med. ett fyllmedel i pulverform volym-%, Därvid är det yttre skiktet företrädesvis tunnare än det inre skiktet, så att dielektriska förlusterna i isoleringen hålls på en låg nivå. Förekomsten av det yttre skiktet 14 gör att trådarnas isolering blir mycket tålig för den mekaniska behandling' de utsätts för' vid. applicerande av' härvorna i statorkroppen och senare temperaturförändringar vid drift av motorn, så att trådarnas isoleringsmantel väl klarar av att _ stå emot de potentialskillnader som kan uppträda mellan slingor' hos intilliggande faslindningar, tätt ihop, där dessa ligger utan någon risk för elektriska genombrott, som skulle förstöra isoleringsmanteln.

Jämförande försök har genomförts för att kontrollera tålig- heten hos lindningarna hos en enligt fig 3 utformad uppfin- ningsenlig stator relativt en stator utformad såsom indi- keras i fig 2 för extrema förhållanden. Därvid cyklades fem olika motorer, tillverkade i en automatiserad produktions- verkstad, mellan 60°C och 180°C på tre minuter med en maximal temperaturderivata av 60°C/min, såsom illustreras i fig 7. Resultaten framgår av nedanstående tabell.

Motor Trådlack Fasmellanlägg Antal cykler till genomslag l Standard utan 10 2 Standard med 120 3 Standard med 290 4 PREST utan 684 5 PREST utan 552 10 15 20 25 520 850 12 Av dessa försök framgàr att helt överraskande motorerna ut- förda, med PREST-tråd och utan fasmellanlägg klarade fler cykler än standardmotorerna med fasmellanlägg.

En motor av det uppfinningsenliga slaget körs i frekvens- omriktardrift (PWM) varvid denna frekvens typiskt sett kan ligga mellan 50 och 200 Hz, ligger i regionen 1-3 kHz, genom utnyttjande av pulsbreddsmodulering för alstrande av växelströmmar med önskad frekvens, medan pulsbreddsmoduleringsfrekvensen typiskt sett Uppfinningen är givetvis inte pà något sätt begränsad till den ovan beskrivna föredragna utföringsformen, utan en mängd möjligheter till nwdifikationer därav torde vara uppenbara för en fackman pà området, utan att denne för den skull av- viker fràn uppfinningens grundtanke.

Exempelvis skulle sàson1 ovan nämnts antalet faser liksom poler' hos 'växelströmsmaskinerx kunna. vara. ett annat. Lind- ningarna skulle även kunna vara anordnade pá annat sätt relativt statorkroppen. 10 eller Dessutonl kan lindningarna till Exempelvis skulle poltalet kunna vara 2, 4, 6, 8, maskinen kunna vara màngpolig. kombineras med olika poltal för tvàhastighetsmotorer, exempel 2/4-, 2/8-, 4/6-, 4/8- och 6/8-poliga.

Claims (13)

10 15 20 25 30 35 520 850 Pategtkrav

1. , Stator till en elektrisk växelströmsmaskin, vilken innefattar en statorkropp (1) anordnad att mottaga en rotor och åtminstone två lindningar (6, 8, 10) av härvor av trådar med av en egen iso- leringsmantel (12) omgivna ledare (11) löpande fram och åter vä- sentligen i statorkroppens axiella riktning och vändande genom slingor (3) axiellt utanför statorkroppen, varvid slingor tillhörande olika lindningar på åtminstone ett ställe ligger tätt ihop, kännetgçknad av kombinationen av å ena sidan att trådarnas isoleringsmantel innefattar ett ledaren omgivande elektriskt isolerande inre skikt (13) och ett yttre skyddsskikt (14) av ett material med hög resistens mot mekanisk påverkan och snabba temperaturförändringar och å andra sidan att slingorna tillhö- rande olika lindningar på nämnda ena ställe är i anliggning mot varandra eller inbördes separerade av endast luft och tillåts komma till anliggning mot varandra, och av att det yttre skiktet (14) är bildat av en organisk polymer försedd med ett fyllmedel i pulverform, och att fyllmedlet utgör åtminstone 10 volym-% av det yttre skiktet och är bildat av C503, Fe_,_O3 eller en blandning av Cr2O3 och FezOs.

2. Stator enligt krav 1, kännetecknad därav, att det yttre skyddsskiktet (14) är av ett det inre isoleringsskiktet (13) mot glimning skyddande material.

3. Stator enligt krav 1 eller 2, kännetecknad därav, att den or- ganiska polymeren är en konventionell trådisoleringslack.

4. Stator enligt något av kraven 1-3, kännetegknad därav, att det yttre skiktet (14) är tunnare än det inre skiktet (13).

5. Stator enligt krav 3 eller 4, därav, att lindning- arna (6, 8, 10) är bildade av så kallad PREST-tràd.

6. Stator enligt något av kraven 1-5, därav, att slingor (3) tillhörande olika lindningar (6, 8, 10) ligger tätt ihop på 10 15 20 25 30 35 :Hfšnftf fur' 14 flera ställen och är på samtliga dessa ställen i anllggning mot varandra eller inbördes separerade av endast luft.

7. Stator enligt något av kraven 1-6, kännetgçknad därav, att den är utformad för en trefasmaskin och uppvisar en lindning (6, 8, 10) för varje fas, och att de olika lindningarna genom slingor (3) axiellt utanför statorkroppen på skilda ställen ligger tätt ihop i anllggning mot varandra eller inbördes separerade av endast luft.

8. Stator enligt krav 7, därav, att härvorna tillhö- rande de olika faslindningarna (6, 8, 10) löper i statorkroppens axiella riktning på väsentligen samma avstånd från statorns axel, så att de lämnar statorkroppen (1) vid punkter liggande väsentli- gen utmed en gemensam omkrets kring statorns axel, att slingor tillhörande olika lindningar överlappar varandra vad gäller ut- sträckningen i statorns omkretsriktning, så att härvslingor tillhö- rande olika lindningar har att sträcka sig på olika avstånd från statorns axel, och att nämnda ställen innefattar i radiell riktning sett punkter av korsning mellan slingor (3) tillhörande olika fa- slindningar (6, 8, 10) i regionen (9) där härvslingorna föds ur en axiellt löpande del av respektive härva respektive övergår i en sådan.

9. Stator enligt krav 8, känneteçknad därav, att nämnda ställen, på vilka slingorna tillhörande olika faslindningar är i anllggning mot varandra eller inbördes separerade av endast luft, även fö- rekommer utmed en väsentligen i statorns omkretsriktning lö- pande mittdel av respektive slinga (3).

10. Stator enligt något av kraven 1-9, kännetegknad därav, att den är utformad som del av en elektrisk växelströmsmotor.

11. Stator enligt krav 10, känneteçknad därav, att dess lind- ningar är utformade att anslutas till en anordning för frekvensom- rikta rdrift av motorn. 520 85Ûffwfe:1;* 15

12. Stator enligt krav 10 eller 11, därav, att den är utformad för en fyrpolig motor.

13. Stator enligt krav 10, kangglgçknad därav, att den är utfor- mad för en enfasmotor och uppvisar två olika lindningar, nämli- gen en startlindning och en arbetslindning.