DE1867072U

DE1867072U - Elektrische maschine.

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Publication number: DE1867072U
Application number: DEL28334U
Authority: DE
Original assignee: Loher & Soehne GmbH
Current assignee: Loher & Soehne GmbH
Priority date: 1960-12-23
Filing date: 1960-12-23
Publication date: 1963-02-14

Description

Elektrische Maschine

Es ist bekannt, daß sich die Wärme, welche in den Wickelköpfen elektrischer Maschinen und zwar sowohl in den ruhenden als auch in den rotierenden Wicklungen entsteht, schwer abführen läßt, falls man nicht zusätzliche Maßnahmen abhängig von der Schutzart und Kühlungsart des betreffenden Motors vorsieht. Bei innengekühlten durchzugbelüfteten Motoren soll der Kühlluftstrom möglichst über und durch die Wickelköpfe geleitet werden, wobei der Hauptanteil der in Wärme umgesetzten Kupferverluste der Ständer- bzw. Lauferwicklung von der Oberfläche der Wickelköpfe abgeführt wird. Es ist deshalb entscheidend, daß die Oberfläche der Wickelköpfe durch Wahl der Wicklungsart möglichst groß gestaltet wird und für den Kühlluftstrom zugänglich ist. Bei vollkommen geschlossenen außengekühlten Maschinen wird die Wärme, die in den Wickelköpfen wegen der Kupferverluste entsteht, meist nur indirekt abgeführt. Je nach Polzahl und Wärmegefälle kann bei oberflächengekühlten Motoren mit Rippen ein Teil der in den Vifickelköpf en enthaltenen Wärme über das Ständerblechpaket abgeführt werden. Je größer und weiter ausladend die Wickelköpfe sind - dies ist bekanntlich

von der Polzahl des Motors abhängig - muß man durch einen Kreislauf oder eine Wirbelung der Innenkühlluft die Wärme der Y/ickelköpfe indirekt an den Gehäusemantel oder an das Lagerschild abführen. Ein Kreislauf der Innenluft für außengekühlte Motoren läßt sich konstruktiv erst bei größeren Leistungen unterbringen. Bei Asynchron-Motoren in vollkommen geschlossener oberflächengekühlter Bauart und mit Leistungen bis zu 150 kW bei 1500ü/min wird die Wärme in den Wickelköpfen durch Wirbelung der im Wickelkopfraum vorhandenen Luft abgeführt. Der max. Wert der Wärmeabführziffer liegt etwa bei 50 W/m ⁰O, für entsprechende Irwärmungsreehnungen nach dem Prinzip der Wärmewiderstände kann höchstens ein praktischer Wert von 30 W/m ⁰O angesetzt werden. Entscheidend für die Teilabführung der WickelkopfVerluste über das Ständerblechpaket ist das Verhältnis Blechpaketlänge zu -Bslechpaketaußendurch-

messer (1 /D ). Für Motoren mit einer Ausnutzung, die dem e a

deutschen Uormmotor nach DIET 42 673 entspricht, liegt das Verhältnis 1 /D für die 2-polige Ausführung bei min. 0,7 und für die hochpolige Ausführung nahe an 1,0. lach den heute allgemein gültigen Auslegungsgesiehtspunkten für vollkommen geschlossene oberflächengekühlte Motoren kann eine optimale Ausnutzung bei einem Verhältnis von 1 /D =1,0 erzielt werden.

e a

Bei Wirbelung der in den Wickelkopfräumen befindlichen Luft können nur ca. 10 $ der gesamten Ständerkupferverluste über die Luft an die Lagerschilder und den G-ehäusemantel abgeführt werden, 80 io müssen durch Wärmeleitung den Heg über das Ständerblechpaket nehmen.

Hinsichtlieh der Abführungsmöglichkeit der Verluste während des Kurzschlusses oder des Anlaufes sind die Verhältnisse wesentlich ungünstiger, da praktisch kaum eine Bewegung der Innenluft in den Wickelkopfräumen stattfindet. Bei langen Anlaufzeiten und bei hoher Schalthäufigkeit, besonders in den Betriebsarten Durchlaufschaltbetrieb (DSB) und Aussetzschaltbetrieb (ASB) nach VDE 0530 wird die Verwendbarkeit einer

Typengröße auch, bei elektrischer Sonderauslegung meist schon durch die sich einstellende Wickelkopferwärmung "begrenzt. Dabei können wesentliche Temperaturunterschiede zwischen Wickelkopferwärmung und Erwärmung des Wicklungskupfers in der Nut bei ungünstigem Verhältnis 1_/D_ auftreten. Sie liegen in der G-rös-

θ _ el

senordnung von 50 bis 100 0. Schon aus diesem Grund kann man gezwungen werden, eine wesentliche Typenvergrößerung von Drehstrom-Käfigläufer-Motoren bei Anlaufzeiten vorzusehen, die in der Größenordnung über 20 bis 30 see. bezogen auf direkte Einschaltung liegen. Die starke Erwärmung der Wickelköpfe bei langen Anlaufzeiten bewirkt auch eine zusätzliche mechanische Beanspruchung durch Wärmedehnung; außerdem wird der Zusammenhalt der Wicklung bei steigender Temperatur geringer, weil die Verbackfestigkeit der verwendeten Tränklacke zurückgeht. Demgegenüber wurde der Einsatz von 2-poligen Drehstrom-Käfigläufer-Motoren wegen des relativ geringen Leistungsgewichtes und wegen verschiedener Torteile bei den anzutreibenden Maschinen (Gebläse, Lüfter, Verdichter und Pumpen) immer umfangreicher. Vor allem wird man überall da auf 2-polige Auslegung von Motoren zurückgreifen, wo die anzutreibenden Maschinen mit noch wesentlich höheren Drehzahlen laufen, so daß eine Übersetzung durch Riemenantrieb oder zwischengeschaltete Getriebe erforderlieh ist.

Der Zweck der Heuerung ist daher, die Wärmekapazität von Wicklungen und Wicklungsteilen elektrischer Maschinen zu vergrößern und für eine bessere Wärmeableitung zu sorgen. Dies ist neuerungsgemäß dadurch erreicht, daß die Luftzwischenräume zwischen den einzelnen Leitern sowie diejenigen zwischen den Wicklungs- und Gehäuseteilen mit einer Masse von hoher Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit vergossen sind. Dadurch sind die Wickelköpfe in eine leicht zu verarbeitende elektrisch isolierende Masse eingebettet, die hinsichtlich ihrer Wärmeleitfähigkeit und ihrer Wärmekapazität der ohne Vergiessen die Wikkelköpfe umgebenden Innenluft in vollkommen geschlossenen Moto-

ren weit überlegen ist. Durch besondere Anordnung und Ausführung der Wicklung ist ferner gewährleistet, daß der Wärmeübergang zwischen den Spulenköpfen und der sie umgebenden Vergussmasse außerordentlich gut ist. In besonders zweckmäßiger Weiterbildung der !Teuerung sind die Wicklungsteile und die mit der Vergussmasse in Berührung kommenden G-ehäuse- und Blechpaeketteile vor dem Vergiessen mit einem bei normaler Raumtemperatur schnell härtenden oder antrocknenden Methyl-Silicon-Harz getränkt oder bestrichen. Durch diese Maßnahme ist eine weitere Verbesserung des V/ärmeüb er gangs von der Vergußmasse auf die Innenwand des Ständergehäuses erzielt. In vorteilhafter Weise ist sowohl die Haftfähigkeit der Vergußmasse als auch der Wärmeübergang auf das Ständergehäuse weiterhin dadurch verbessert, daß die Oberflächen der mit der Vergußmasse in Berührung kommenden Teile des Ständergehäuses und Ständerbleehpaskets vor der Behandlung mit dem erwähnten Methyl-Silicon-Harz aufgerauht sind. Bei Maschinen, die einen Innenlüfter besitzen, ist es besonders zweckmäßig, wenn diejenigen Lufträume im Wickelkopf, die auf Grund ihrer Lage sowie der Intensität der Wirbelung vom Luftstrom des Innenlüfters nicht erfasst werden, mit der Vergussmasse ausgefüllt isnd. Als Vergussmasse für die vorstehend erwähnten Zwecke ist ein Gemisch besonders geeignet, das aus etwa gleichen Teilen eines Dimethylpolysilicons mit einer Viskosität von vorzugsweise 100 bis 30 000 cSt und von Quarzmehl besteht und durch Zusatz von Vernetzungsbesehleunigern bei Raumtemperatur vernetzbar gemacht und dem ferner mindestens 1 Gewichtsprozent Wasser zugegeben ist. Die vorstehend beschriebene Zusammensetzung der Vergußmasse erbringt den Vorteil, daß kein merkbarer Schwund eintritt. Von Mindestbedingungen einer Schwundfreiheit bei dem Vernetzungs- oder Härtungsprozess der Vergussmasse ist auch der gute Y/ärmeübergang auf das Ständergehäuse abhängig. Zwischenlagen-Isolationen und breitere Bandagen sollten nur in geringem Umfang für die Wickelköpfe angewendet werden. Die Vergußmasse empfiehlt sich besonders deshalb, weil Wärmedehnungen des Wickelkopfes und der

Wicklung, die besonders bei langen Anlaufzeiten und dadurch bedingten hohen Anlauferwärmungen entstehen, von der Masse aufgenommen werden, ohne daß hierbei auch nach längeren Betriebsabschnitten oder hoher Schalthäufigkeit Versprödungserscheinungen oder Eißbildungen auftreten. Die Vergrößerung der Wärmekapazität kann also für eine höhrer thermische Beanspruchung der Gesamtwicklung während des Anlaufs, des Bremsens sowie für hohe Überlastungsspitzen während des Betriebs ausgenutzt werden, wodurch ganz neue Anwendungsgebiete erschlossen sind. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, daß durch Herabsetzung der Spitzenerwärmung auf Grund besonderer thermischer Beanspruchungen die dadurch bedingte mechanische Beanspruchung der Wicklung oder der Wicklungsteile herabgesetzt wird. Um die Eindringfähigkeit der Vergußmasse in Verbindung mit einer Erhöhung der Wärmekapazität noch weiter zu verbessern, kann in weiterer Ausgestaltung der Heuerung als Füllstoff neben Quarzmehl oder Glasseidenfäden auch ein besonderes Eisenoxyd ohne Beeinträchtigung des elektrischen Isoliervermögens der Vergußmasse verwendet werden.

Drehstrom-Käfigläufer-Motoren können bei Vergrößerung der Wärmekapazität einer Wicklung für Anlaufzeiten in der Größenordnung von 5 Isis 15 min. eingesetzt werden. Bisher war die Bewältigung solcher Anlaufzeiten nur mit Hilfe von Drehstrom-Schleifringläufer-Motoren in Verbindung mit Anlasserwiderständen für Sehwerstanlauf möglich. Bei den Käfigläufer-Motoren wird der gesamte Wickelkopfraum ausschließlich der für den Einbau des Läufers erforderlichen Bohrung mit Silicon-Kautschuk-Vergußmasse vergossen. Dabei kann, wie bereits erwähnt, eine Wicklungsart bei geträufelten Wicklungen gewählt werden, die entspredhende Luftabstände zwischen den einzelnen Spulen vorsieht, welche beim Einlauf der Vergußmasse vollständig ausgefüllt werden. Es ist erforderlieh, die einzelnen Drahtbündel der Spulen durch leichte Bandagierung vor dem Verguß zusammenzuhalten. Für einen guten Wärmeübergang zwischen

den Spulenköpfen und der Tergußmasse und zwischen dieser und dem Ständerblechpaket bzw. der Innenfläche des Ständergehäratses kann eine zusätzliche lackierung mit Silieon-Kautschuk-Haftvermittlern, das sind beispielsweise schnell und bei normalen Raumtemperaturen härtende oder antrocknende Methyl-Silicon-Harze, vorgesehen werden. Es ist für den Wärmeübergang in das Ständergehäuse vorteilhaft, die Innenfläche des Gehäusemantels durch Sandstrahlgebläse oder ähnliche Vorrichtungen aufzurauhen. Die Wicklung und die Wickelköpfe selbst werden durch die vor dem Vergießen durchgeführte Vakuum-Tränkung mit einem wärmehärtenden Isolier-Tränklaok zusammengehalten und in ihrer Isolierfestigkeit erhöht. Das vollständige Vergiessen der Wickelköpfe bringt für längere Anlauf- und Bremsbeanspruchungen der Wicklung in thermischer Hinsicht zwei wesentliche Vorteile. Einerseits wird die normale Blechpaketlänge 1 des Ständerblechpaketes durch die Vergussmasse in ihrer Wirksamkeit als guter Wärmeleiter (geringer Wärmewiderstand) und als Wärmespeicher (große Wärmekapazität) für den Ablauf thermischer Vorgänge gleichsam vergrößert. Andererseits ist durch das Vergießen der gesamte Wickelkopf in ein gleichmäßig wärmeleitendes Medium eingebettet. Dadurch sind wesentliche Erwärmungsspitzen beim Anlauf, bei starken Überlastungen und bei elektrischer Bremsung herabgesetzt. Die Unterschiede in der Erwärmung von Wicklungsteilen besonders bei vollkommen geschlossenen oberflächengekühlten Motoren, abhängig von ihrer Lage im Ständer, werden durch das Vergiessen weitgehend auf« gehoben oder abgemildert.

Welche Möglichkeiten sich durch das Vergiessen mit Silicon-Kaufs chuk-Vergußmas se für die Herabsetzung der Spitzenerwärmung bei langen Anlaufzeiten von Käfigläufer-Motoren ergeben, zeigt nachstehende Tabelle. Daraus ist die Erwärmung eines 2-poligen Motors mit ungünstigem Verhältnis 1„/D„ im Kurzschluß

e a

für die Wicklung und für verschiedene Teile der Wicklung des Blechpaketes und des Gehäuses ersichtlich. Demgegenüber zeigt Spalte 1 der Tabelle den gleichen Motor, dessen Wickelköpfe je-

doch nicht mit Silicon-Kautschuk-Vergussmasse vergossen sind,

Tabelle

Kurzschlußerwärmung der Ständerwicklung und des Läuferkäfigs für einen Drehstrommotor zum Antrieb eines Separators.

Anlaufzeit in Stern-Schaltung 8-10 min.

/D_o e a

für den gemessenen 2-poligen Motor 0,46

Wickelköpfe nicht vergossen

Erwärmung 0 n. 8 min.Kurzschluß

Wickelköpfe mit SiIic on-Kauts chuk-Vergußmasse vollständig vergossen

Erwärmung C nach 8 min.KurζSchluß

Gehäuse	15
AS Wickelkopf	217
Wicklung in der Nut	132
Mittlere Erwärmung der gesamten Wick lung	200
Läuferstab Mitte	193
Läuferstab außen	237
Lauferring	258

13 87

106 228 234 255

Es kann aber auch zweckmäßig sein, die Wickelköpfe nur teilweise zu vergießen, wodurch erhebliche Verbesserungen hinsichtlich der Wärmebilanz des Motors im Dauerbetrieb, also bei gleichmässiger Belastung, erreicht werden. Bei kleineren und mittleren, vollkommen geschlossenen oberflächengekühlten Käfigläufermotoren arfolgt die Abführung der in den Kurzschlußringen des Läufers und in den Wickelköpfen des Ständers entstehenden

Verluste duroli Wirbelung der Innenluft in den Wickelkopfräumen. Die Wirbelung der Innenluft wird bei druekgußgespritzten Läuferkäfigen durch angegossene Flügel, bei härtgelöteten Läuferkäfigen durch Zusatzlüfter, die vor den jeweiligen Kurzschlußringen angeordnet sind, bewirkt. Die Intensität und die Wirksamkeit dieser Wirbelung ist natürlich stark drehzahlabhängig. Weiterhin hängt die gute Abführungsmöglichkeit der Yerluste von den Wickelköpfen auch von der Wicklungsausführung ab. Man kann nun durch Yergießung von Teilzonen im Wickelkopf Lufträume ausfüllen, die auf Grund ihrer Lage und der Intensität der Wirbelung überhaupt nicht vom Luftstrom des Innenlüfters erfaßt werden. Dadurch ist es möglich, die schlechte Wärmeleitfähigkeit der unbewegten Luft durch die wesentlich bessere Wärmeleitfähigkeit der in die vorher beschriebenen Teilzonen eingedrungene Silicon-Kautschuk-Vergußmasse zu ersetzen. Man kann also Teile der Wickelkopfverluste direkt an das Ständergehäuse abführen, ohne dabei das Luftvolumen, das für die Wirbelung der Innenluft und damit für die Abführung des Restteiles der Wickelkopf- und Läuferkäfigverluste notwendig ist, zu beeinträchtigen. Welche Zonen durch Silioon-Kautschuk-Yergußmasse vergossen werden sollen und welcher Luftinhalt ersetzt wird, hängt von der Wicklungsausführung und von der Polzahl sowie von dem konstruktiven Aufbau des betreffenden Motors ab.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele vergossener Wickelköpfe im Längsschnitt dargestellt. Dabei zeigt die obere Hälfte der Zeichnung einen vollständig vergossenen Ständerwiekelkopf, während die untere Hälfte der Zeichnung einen teilweise vergossenen Wickelkopf einer Maschine zeigt, die mit einem Innenlüfter versehen ist. Durch die Vergussmasse 1 ist der stirnseitige Raum der Maschine so ausgefüllt, daß die Wicklungen völlig in die Masse eingebettet sind. In der Vergussmasse 1 befinden sich als füllstoffe Bisenoxyd, G-lasseidenfäden und -Bänder. Durch einen hohen Füllstoffgehalt der

Vergussmasse 1 ist die angestrebte vergrösserte Wärmekapazität erreicht. Zur Erhöhung der Haftfestigkeit der Vergussmasse 1 am Standergehäuse 2 und zur Verbesserung des Wärmeübergangs ist die Innenfläche 3 des Ständergehäuses aufgerauht. Zur Verbesserung der Formbeständigkeit und der mechanischen Festigkeit der Vergussmasse 1 an der Bohrungsseite sind Glasseidenfäden oder Glasseidenbänder 4 "vor dem Vergiessen eingelegt. Ss ist dabei zweckmäßig, die Haftfestigkeit der Glasseidenbänder durch eine Entschlichtung und Silanisierung zu verbessern.

Auch bei dem in der unteren Hälfte der Zeichnung dargestellten, teilweise vergossenen Wickelkopf erfolgt die Wärmeabfuhr für den am Ständerblechpaket 5 liegenden Teil der Wicklung durch deren Einbettung in die Silicon-Kautschuk-Vergussmasse 6. Die Haftfestigkeit der Vergussmasse an den Eisenteilen ist dadurch wesentlich verbessert, daß die Eisenteile an der mit 7 gekennzeichneten Stelle mit einem Methyl-Silicon-Harz vorbehandelt sind. Der freie Teil des Wickelkopfes wird durch den auf der Maschinenwelle angeordneten Innenlüfter 8 intensiv belüftet. Selbstverständlich ist bei der Ausbildung des Innenlüfters auf die Form des nicht eingebetteten Teils des Wickelkopfes sowie auf die Höhe der Vergussmasse Rücksicht zu nehmen.

Claims

fiA.001111.-Z 1.63 - 10-Schutzansprüche

1. Elektrische Maschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzwischenräume zwischen den einzelnen Leitern sofde diejenigen zwischen den Wicklungs- und G-ehäuseteilen mit einer Masse von hoher Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit vergossen sind.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die 'Wicklung st eile und die mit der Vergußmasse in Berührung kommenden Gehäuse- und Blechpaketteile vor dem Vergießen mit einem bei normaler Raumtemperatur schnell härtenden oder antrocknenden Methyl-Silikon-Harz getränkt oder "bestrichen sind.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der mit der Vergußmasse in Berührung kommenden Teile des Ständergehäuses und Ständerblechpakets vor der Behandlung mit Methyl-Silikon-Harz aufgeraut sind.

4. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die mit einem Innenlüfter versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß diejenigen Lufträume im Wickelkopf, die auf Grund ihrer Lage sowie der Intensität der Wirbelung vom Luftstrom des Innenlüfters nicht erfaßt werden, mit der Vergußmasse ausgefüllt sind.

5. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergußmasse aus einem Gemisch aus etwa gleichen Teilen eines Dimethylpolysilikons mit einer Viskosität von vorzugsweise 100 bis 30 000 cSt und von Quarzmehl besteht, das durch Zusatz von Vernetzungsbeschleunigern bei Raumtemperatur vernetzbar gemacht und dem mindestens 1 Gew. fo Wasser zugegeben wird.

6. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergußmasse als Füllstoff zusätzlich zum Quarzmehl oder an dessen Statt Eisenoxyd zugesetzt ist.