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Elektrischer Unterwassermotor der Naßläufer-Bauart Bei den beispielsweise
zum Antrieb von Tauchkreiselpumpen verwendeten elektrischen Unterwassermotoren der
Naßläufer-Bauart muß die Ständerwicklung eine völlig flüssigkeitsdichte Isolierung
haben, damit das den Motor anfüllende Wasser nicht in die Wicklung eindringen kann.
Man versieht deshalb vielfach die Wickeldrähte mit einem flüssigkeitsdichten Isoliermantel,
z. B. aus Gummi oder Kunststoffen wie Polyvinylchlorid oder Polyäthylen. Dieses
bekannte Isolierprinzip ergibt zwar einen einwandfreien Flüssigkeitsschutz der Wicklung,
verringert aber wegen der verhältnismäßig großen Wandstärke des Isoliermantels den
in den Ständernuten unterzubringenden Kupferquerschnitt. Eine solche Wicklung ist
nur für Unterwassermotoren geeignet, die bei größeren Abmessungen für verhältnismäßig
kleine Leistungen ausgelegt sind, kann aber bei räumlich beschränkten Bauarten,
z. B. bei in enge Bohrlöcher mit einem Durchmesser von etwa 100 mm eingesetzten
Motoren und Betriebsspannungen für 220, 380 Volt oder darüber keine Anwendung finden,
weil wegen des geringen Motordurchmessers, der notwendigen großen Leiterzahl je
Nut und der für solche Spannungen notwendigen Wandstärke der Drahtisolation das
für die Motorleistung erforderliche Kupfervolumen in den Ständernuten nicht mehr
untergebracht werden kann. Unterwassermotoren mit einem derartigen kleinen Außendurchmesser
und kleinen Leistungen konnten bisher nur für Spannungen von höchstens 110 Volt
ausgelegt werden, und für ihren Anschluß an höhere Netzspannungen war die Zwischenschaltung
eines Transformators notwendig, der die Kosten einer Tauchpumpenanlage in unerwünschter
Weise vergrößert.
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Das für die Betriebssicherheit von Unterwassermotoren entscheidende
Problem der flüssigkeitsdichten Isolierung der Ständerwicklung hat man auf verschiedene
Weise zu lösen versucht. So ist es bekannt, das von einem rohrförmigen Gehäuse umschlossene
bewickelte Ständerblechpaket unter Verwendung eines in der Ständerbohrung zentrisch
mit Spiel eingesetzten Dornes mit einer aushärtbaren Isoliermasse auszugießen, die
aus Gummi, Kondensationsprodukten von Phenolen oder Aldehyden oder einer ähnlichen
Kompoundmasse besteht und auf ihre Verflüssigungstemperatur erwärmt ist. Derartige
Ausgußmassen sind beim Abkühlen einem starken Schrumpfen unterworfen, wodurch an
den Berührungsstellen mit dem Ständereisen und Gehäuse keine feste flüssigkeitsdichte
Verbindung erreicht werden kann. Es treten hier Risse auf, deren Entstehen auch
durch die betriebsmäßigen Temperaturschwankungen in der Wicklung begünstigt wird.
Diese Risse lassen sich selbst dann nicht sicher vermeiden, wenn nach einem bekannten
Vorschlag die Oberfläche des Ständereisens vor dem Einbringen der Wicklung, z. B.
durch einen mehrmaligen Tauchvorgang und anschließendes Erhitzen, einen zusätzlichen
Überzug aus gummiähnlichen Isoliermassen erhält, denn diese haften nicht genügend
fest und flüssigkeitsdicht an Eisen: Außerdem kann durch einen solchen mehrmaligen
Tauchvorgang namentlich an unzugänglichen Stellen des Ständers keine gleichmäßige
Isolierschicht erzeugt werden. Die Wickeldrähte sind hierbei von einer gummiähnlichen
Masse umhüllt und durch einen zusätzlichen äußeren Gummiüberzug in sich flüssigkeitsfest
isoliert. Auf die üblichen isolierenden Einlagen in den Nuten ist dabei werzichtet,
weil die Nutenwandungen ebenso wie die ganze Oberfläche des Ständerblechpaketes
mit einer stärkeren Isolierschicht überzogen worden sind, die in Verbindung mit
dem starken Isoliermantel der Wickeldrähte den für das Wickelkupfer zur Verfügung
stehenden Nutenquerschnitt beträchtlich verringert.
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Man hat bereits in die nicht ausgekleideten Ständernuten die durch
eine Bandagierung zusammengehaltenen, vorher mit Lack oder einer Kompoundmasse imprägnierten
Wicklungsspulen eingelegt, nach deren Einbringen das Ständerblechpaket mit Gummimasse
ausgegossen wird. Hierbei sind die Wickeldrähte ebenfalls in sich flüssigkeitsdicht
isoliert und haben einen entsprechenden starken Isolationsauftrag; der den Nutenfüllfaktor
herabsetzt. Schon wegen der unzureichenden Haftung der Gummimasse an dem Ständereisen
kann kein ausreichender Flüssigkeitsschutz erreicht werden, zumal diese Gummimasse
vulkanisiert werden muß und dabei Risse, besonders an den Berührungsstellen mit
dem kompliziert geformten Ständereisen, unvermeidlich sind.
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Soweit nach dem Stand der Technik auf besondere Nutenauskleidungen
verzichtet wird, muß die Isolation
der Wickeldrähte entsprechend
stark bemessen werden, was die Ausnutzung des aktiven Materials beeinträchtigt und
trotzdem keine ausreichende Betriebssicherheit des Unterwassermotors gewährleistet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Unterwassermotor
der Naßläufer-Bauart unter Vermeidung der aufgezeigten Nachteile völlig flüssigkeitsdicht
auszubilden und dabei eine hohe Ausnutzung bei geringsten Abmessungen zu ermöglichen.
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Die Erfindung geht dabei von einem Unterwassermotor aus, dessen. Ständerblechpaket
zusammen mit der in nicht ausgekleideten Nuten untergebrachten, aus lackierten oder
umsponnenen Drähten bestehenden Wicklung nach dem Einsetzen in ein rohrförmiges
Gehäuse mit einer aushärtbaren Isoliermasse ausgegossen ist. Der Erfindungsgedanke
besteht darin, daß unter Verwendung eines beim Vergießen zentrisch mit Spiel in
der Ständerbohrung sitzenden Dornes der gesamte freie Raum zwischen Dorn und Gehäuse
mit einem Harz auf Äthoxylinbasis ausgegossen ist, das die gesamte Wicklung im Kopf
und Nutenraum sowie die Ständerbohrung umschließt und sowohl an diesen Teilen als
auch an der die Wickelköpfe umfassenden Innenfläche des Gehäuses flüssigkeitsdicht
festhaftet.
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Gießharze auf Äthoxylinbasis sind an sich bekannt, und zwar auch als
Isoliermittel im Elektromaschinenbau, z. B. zum Verkleben von Dynamoblechen, zum
Umgießen von Transformatoren und Spulen oder zur Isolierung der Wickelköpfe eines
Generators zwecks Erhöhung der Kurzschlußfestigkeit der Wicklung. Diese Gießharze
konnten jedoch im Elektromaschinenbau keine allgemeine Anwendung als Wicklungsisolation
finden, weil sie nur eine geringe Wärmeleitfähigkeit haben, die allerdings durch
Zusatz von Füllmitteln, wie Quarzmehl, in engen Grenzen verbessert werden kann.
Die bei normalen Elektromotoren nachteilige niedrige Wärmeleitfähigkeit dieses Gießharzes
ist aber bei Unterwassermotoren der Naßläufer-Bauart ohne Bedeutung, da hier die
Wicklung vollständig von Wasser umspült ist, das die im Betrieb entstehende Wärme
abführt.
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Das nach der Lehre der Erfindung in den gesamten freien Raum zwischen
Dorn und Gehäuse gegossene Harz auf Äthoxylinbasis haftet an sämtlichen Berührungsstellen
mit dem Ständereisen und dem Ständergehäuse überaus fest und unlösbar und verbindet
sich völlig flüssigkeitsdicht mit den Eisenflächen sowie der Drahtisolation. der
Wicklung. Neben diesem entscheidenden Vorteil ist es von besonderer Bedeutung, daß
Gießharz auf Äthoxylinbasis während des Härtens einen äußerst geringen Schwund hat,
wodurch jegliche, auch die feinsten Haarrisse. mit Sicherheit vermieden werden.
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Das Gießharz dringt restlos in sämtliche Hohlräume der Wicklung ein.,
besonders wenn das Ausgießen unter Vakuum erfolgt, und umschließt in den Ständernuten
alle Drähte, die trotz ihrer dünnen Isolierung eine mechanisch und elektrisch hochwertige
Schutzhülle erhalten. Es kann daher auch ohne Beeinträchtigung der betrieblichen
Eigenschaften des Unterwassermotors auf eine isolierende Auskleidung der Nuten,
z. B. aus Preßspan, Pappe oder anderen Isolierfolien, verzichtet werden. Dieses
technische Wagnis des Fortfalls einer Nutenauskleidung ist wegen der hervorragenden
mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Äthoxylinharzes vertretbar, denn
es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß der nach der Lehre der Erfindung ausgestaltete
Unterwassermotor Isolationswerte nach Warmlauf im Wasser weit größer als 100 Meg0hm
hat und auch bei einer Hochspannungsprüfung im Wasser bei 2000 Volt noch keinen
Durchschlag ergibt.
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Im Sinne des Erfindungsgedankens ist als Vergußmasse besonders geeignet
Äthoxylinharz, das z. B. als kalthärtendes Harz bei der üblichen Raumtemperatur
von etwa 20° C härtet und hierbei einen äußerst geringen Schwund hat.
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Da nach der Lehre der Erfindung die Wickeldrähte nur eine dünne Isolierung
z. B. aus Lack, Umspinnung mit Glasseide od. dgl. haben, kann die aus elektrischen
Gründen jeweils notwendige Leiterzahl ohne Schwierigkeiten in den Ständernuten untergebracht
werden, die wegen fehlender Auskleidung mit ihrem vollen Ouerschnitt für die Unterbringung
der Wickeldrähte ausgenutzt werden können. Zweckmäßig werden die Ständernuten offen
ausgebildet, um ein Einträufeln der Wicklung zu ermöglichen.
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Der Unterwassermotor kann im Sinne der Erfindung beispielsweise in
der Weise hergestellt werden, daß das in das rohrförmige Gehäuse eingesetzte und
mit der Wicklung versehene Ständerblechpaket vorzugsweise im Vakuum erwärmt wird,
um es vollständig auszutrocknen, was beispielsweise in einigen Stunden bei Temperaturen
von etwa 50° C erreicht wird. Hierauf wird in die Ständerbohrung ein Dorn zentrisch
mit Spiel eingesetzt und in den noch etwa 50° C warmen Ständer das flüssige Gießharz
unter Vakuumeingegossen, das annähernd die gleiche Temperatur wie der Ständer hat.
Infolge Kapillarwirkung werden sämtliche Hohlräume der Wicklung mit der Ausgußmasse
angefüllt, die auch die Innenfläche der Ständerbohrung in einer dünnen, vollkommen
homogenen Schicht überzieht, deren Stärke wegen des zulässigen Luftspaltes nur wenige
Zehntelmillimeter beträgt. Diese zwischen Ständerbohrung und Dorn entstehende zylindrische
Hülse bildet nach dem Erkalten mit der Ausgußmasse, die in den von dem Dorn und
dem inneren Gehäusemantel begrenzten, den' Wickelkopf enthaltenden Raum eingefüllt
ist, einen einheitlichen Isolierblock, der fest und flüssigkeitsdicht an sämtlichen
Eisenflächen, insbesondere auch am Gehäuseteil, der die Wickelköpfe umfaßt, sowie
in der Ständerbohrung haftet und für diese Stellen nicht nur einen hochwertigen
Korrosionsschutz darstellt, sondern auch jegliches Eindringen von Wasser mit Sicherheit
ausschließt.
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Von besonderer Bedeutung ist es, daß das Gießharz auch in die Ständernuten
eindringt und sämtliche Nutenhohlräume vollständig ausfüllt. Für die Wickeldrähte
ergibt sich daher trotz ihrer dünnen Isolierung ein hervorragender Flüssigkeitsschutz
sowie ein fester Halt in den Ständernuten. Hierbei können in an sich bekannter Weise
die sonst zum Festlegen der Wicklung und Verschließen der Nutenschlitze nötigen
Keile in Fortfall kommen.
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Der nach der Lehre der Erfindung ausgebildete Unterwassermotor ist
besonders für kleinere Leistungen in der Größenordnung von etwa 0,25 bis 10 PS bei
einem Außendurchmesser des Motors von etwa 90 mm geeignet. Ein solcher Motor kann
ohne Schwierigkeiten auch für Netzspannungen von 380 Volt und darüber ausgebildet
werden, was bisher auch bei Verwendung einer hochwertigen Kunststoffisolation, z.
B. von Polyäthylen, nicht möglich war.
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Da der Unterwassermotor der Naßläufer-Bauart sowohl außen als auch
innen von Wasser umspült ist, tritt beim Betrieb infolge der wirksamen Wasserkühlung
in der Wicklung keine nennenswerte Temperaturerhöhung
auf, so daß
das Gießharz seine ursprüngliche Härte und Festigkeit behält.
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Eine weitere Vereinfachung kann in an sich bekannter Weise erreicht
werden, wenn das Stromzuführungskabel unmittelbar unter Fortfall eines Klemmkastens
an die Enden der Wickeldrähte angeschlossen und die Verbindungsstelle ebenfalls
in das Gießharz eingebettet wird, wodurch eine einfache und billige Bauweise des
Motors sowie ein guter Flüssigkeitsschutz der Anschlußstelle des Stromzuführungskabels
erhalten wird.