DE2710029C3

DE2710029C3 - Wellenförmiges Federelement zur Festlegung der Wicklungsstäbe in den Nuten einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE2710029C3
Application number: DE19772710029
Authority: DE
Inventors: Mark Zacharovitsch Cirkin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-03-08
Filing date: 1977-03-08
Publication date: 1980-12-04
Also published as: DE2710029A1; DE2710029B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Federelement gemäß dem Obergriff des Anspruchs 1.

Das entspricht dem Stand der Technik nach der DE-AS 21 65 727 bzw. der dazu inhaltsgleichen US-PS 09 031.

Im Ständer einer elektrischen Maschine, z. B. eines leistungsfähigen Wechselstromgenerators, werden die Stäbe elektrischer Wicklungen in radialen Nuten des Kerns untergebracht. Die einen rechteckigen Querschnitt aufweisenden Stäbe werden in der Nut gegen die Bewegung unter Einwirkung von elektromagnetischen Kräften mit Hilfe von Nutenkeilen, die einen Querschnitt in Form eines Schwalbenschwanzes haben, festgehalten. Zwecks Beseitigung des Spaltes zwischen dem Nutenkeil und dem Oberstab werden abdichtende Elemente in Form von elastischen beilagen verwendet, die entweder zwischen der Grundfläche des Keils und der an diese anliegenden oberen Fläche des Stabs oder zwischen der Seitenwand der Nut und den an sie anliegenden Flächen der Stäbe untergebracht werden.

Der Anstieg der Einzelleistung elektrischer Generatoren, begleitet von einer wesentlichen Vergrößerung von Strombelastung.und elektrodynamischen Kräften in den Wicklungsstäben und eine Erhöhung des Temperaturgefälles in diesen, sowie der Übergang zur härtbaren Isolation, die zwar verbesserte mechanische und elektrische Eigenschaften aufweist, jedoch in der Regel keine Fähigkeit zur Selbstabdichtung durch ein gewisses Schwellen besitzt, wie das bei der früher verwendeten nichthärtbaren Isolation der Fall war, haben die Aufgabe einer sicheren Festlegung der Wicklungsstäbe in den Kernnuten besonders aktuell gemacht.

Die ungenügende Festlegung der Stäbe in den Kernnuten wird durch eine nicht ausreichende Elastizitat der zur Verwendung kommenden Füllelemente, ihre Alterung sowie durch das Entstehen von radialen Spalten in der Nut zwischen dem Nutengrund, den Stäben und dem Nutenkeil nach Ablauf e.ner gewissen Betriebszeit des Generators bestimmt.

Das Fehlen einer sicheren Festlegung der Wicklungsstäbe in den Kernnuten bedingt während des Generatorbetriebs periodische radiale Schwingungen der Stäbe in der Nut, die unter bestimmten Umständen sogar zur Resonanz führen können, was zu schweren Erosionsbe-Schädigungen der Stabisolation wegen der Wirkung der sich infolge einer Unterbrechung des kapazitiven Stroms bei Bewegung der Stäbe ausbildenden Nutenentladungen und zum Entstehen von Rissen in den Teilloitern der Stäbe, zum mechanischen Verschleiß der

2^i Isolation und zum nachfolgenden Durchschlag derselben sowie zu einer Geräuscherzeugung führt. Diese Defekte sind so bedeutend, daß sie die Betriebsdauer der elektrischen Maschine wesentlich herabsetzen und öftere Reparaturen derselben zur Folge haben.

w Es bestehen mehrere Wege zur Abschwächung der periodischen Schwingungen von Stäben in den Nuten.

So z. B. werden seitliche Füllelemente entweder in Form von Gegenkeilen (vgl. z. B. FR-PS Nr. 1 3 54 872) oder in Form von wellenförmigen Zwischenlagen (vgl.

J5 z. B. US-PS Nr. 31 58 770) verwendet, die über die ganze Länge der Nut längs der Wicklungsstäbe und seitlich von diesen eingesetzt werden. Trot/dem das System seitlicher, insbesondere wellenförmiger Beilagen radiale und tangentiale Verstellungen der Siäbc wirksam

■"> unterdrückt, weist diese seitliche Festlegung eine gewisse Kompliziertheit auf und erfordert bedeutende seilliche Spalte in der Nut, was den Wärniewiderstand der Wicklung, insbesondere in elektrischen Maschinen mit indirekter Kühlung erhöht und zu einer uner-

4i wünschten Erhöhung des Temperaturgefälles in der Wicklungsisolation führt. Außerdem wird bei dieser Befestigung der Ausbau eines beliebigen Unterstnbs aus der Nut von mechanischen Beschädigungen der Isolation einer bedeutenden Anzahl von Oberstäben der

V) Maschinenwicklung begleitet, wodurch sie stark beschädigt wird.

Es sind Befestigungssysteme der Wicklungsstäbe mit Hilfe von elastischen Isolierzwischenlagen unterschiedlicher Form bekannt, die in Längsrichtung der Nut

■55 zwischen den Stäben und Nutenkeilen untergebracht werden. So z. B. sind Anordnungen zur Befestigung von Stäben mit Füllelementen in Form einer elastischen Zwischenlage mit im allgemeinen konstanter Stärke vorgeschlagen worden (vgl. z. B. GB-PS 7 58 964). Diese Anordnungen wiesen jedoch eine wesentliche Kompliziertheit im Nutenaufbau auf, und die in ihnen verwendeten Zwischenlagen hatten eine nicht ausreichende Elastizität und Zusammendrückbarkeit, wobei der relativen Steifigkeit dieser Beilagen in Einzelfällen Verschleißerscheinungen an der Isolation auftraten. Es wurden auch Füllelemente aus Elastomerstoff mit durchlaufender oder gelochter Form vorgeschlagen (vgl. z.B. DE-PS 6 66 339), jedoch konnten diese

grundsätzlich die Behebung des Spalts bei größeren Raumändeningen zwischen dem Nutenkeil und den Wicklungsstäben nicht gewährleisten. Außerdem wurden wellenförmige elastische Beilagen aus Elastomerstoff vorgeschlagen (vgl. z.B. US-PS 13 93 335), die jedoch eine unzureichende Federkraft besaßen.

Es sind auch Befestigungssystemt der Stäbe in der Nut mit Hilfe von wellenförmigen füllenden Zwischenlagen aus starrem Isolierwerkstoff bekannt, die in Längsrichtung zwischen den Nutenkeilen und Stäben angeordnet werden. Die federnde Wirkung einer solchen Zwischenlage wird in radialer Richtung durch das Strecken der Zwischenlagenwellen beim Einsetzen der Nutenkeile in die Kernnut oder (vgl. z. B. US-PS 32 43 622) durch die Verformung der Zwischenlage mit Hilfe von besonderen Stopfen, die in den Nutenkeil nach dessen Einsatz eingeschraubt werden, erreicht

Diese Festlegung mit Hilfe von starren wellenförmigen, zwischen dem Nutenkeil und den Stab untergebrachten Beilagen ergibt jedoch nicht i.Otz gewisser >o Vereinfachung des Nutenkeileinsatzes folgende erwünschte Wirkungen:

die erforderliche Elastizität, da die maximale Federkraft einer solchen Beilage erst bei nahezu vollständiger Streckung derselben erreicht wird, die in der Regel entweder zu einem Bruch der Beilage oder gar zu einer Beschädigung der Isolation führt, während eine unzureichende Elastizität das Aul treten von Vibrationen der Stäbe in der Nut zur Folge hat:
die erforderliche Gleichmäßigkeit des Kraftaufwandes für das Andrücken der Stäbe wegen der geringen Kontaktfläche solcher füllenden Beilagen mit dem Nutenkeil, was durch das unvermeidliche Vorhandensein von Mikrounebenheiten der Staboberflache und hauptsächlich durch die diesen Beilagen eigene Sieifigkeil hervorgerufen wird, und zu unerwünschten erhöhten Lokaldrücken auf die Isolation sowie zu einer Freigebung von Stababschnitten größerer Länge und, als Folge davon, zur Verstärkung der Stabvibration in der Nut führt; An

die erforderliche Beseitigung des Spalts zwischen dem Nutenkeil und dem Stab wegen der diesen starren wellenförmigen Beilagen eigenen überaus steil verlaufenden Kennlinie der Abhängigkeit der Federkraft vom Streckungsgrad der Beilage im Arbeitsbereich dieser Abhängigkeitskurve, und die unzureichende Beseitigung des Spalts führt desgleichen zu einer Erhöhung der Stabvibration:

die erforderliche Festigkeit der Beilage dadurch, daß sie bei nahezu vollständiger Streckung der Beilagenwellen wirkt, wenn wegen der ihr eigenen Steifigkeit bruchgefahr derselben auftritt, wodurch die Sicherheit der Befestigung herabgesetzt wird.

Schließlich kann die Anordnung zur Befestigung der Wicklung mit Erhaltung der Federkraft durch die Verformung der wellenförmigen Beilage mit Hilfe von einschraubbaren besonderen Stopfen desgleichen das erforderliche gleichmäßige Andrücken der Stäbe nichl gewährleisten und erfordert bedeutende Komplizierungen der neu zu entwickelnden Konstruktionen oder eine ω Abänderung der schon beste h "den gesamten Baugruppe zur Befestigung von W^Muiigsstäben in der Nut und führt zu einer gewissen Schwächung dieser Baugruppe.

Infolgedessen erweist sich die Wirksamkeit der Befestigung von Wicklungsstäben in der Nut des Kerns b5 einer elektrischen Maschine als unzureichend und temperaturabhängig, und sie fällt mit dem Temperaturanstieg in der Regel ab.

Der Erfindung wurde die Ausgabe zugrundegelegt, die Form und die Abmessungsyerhältnisse der füllenden wellenförmigen Beilage so zu wählen, daß eine gesteigerte Elastizität und Festigkeit derselben zwecks Begrenzung der radialen Schwingungen der Stäbe in der Nut des Ständerkerns bei gleichzeitiger Gewährleistung des Einsatzes der Nutenkeile ohne Komplizierungen und Änderungen des Nuten- und Keilaufbaus und bei Beibehaltung der Reparaturfähigkoit der Wicklung gewährleistet wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst

Es ist zweckmäßig, daß die zusätzlichen elastischen Elemente ungefähr in Form des Teiles eines Zylinders, der die Form des Wellentals aufweist, ausgeführt sind.

Zweckmäßig ist auch, daß die zusätzlichen elastischen Elemente mit einer Stärke ausgeführt sind, die das volle Maß des Wellentals der nichtzusammengedrückten ausfüllenden wellenförmigen Beilage unterschreitet.

Entsprechend einer von den Ausführungsvarianten der Erfindung sind die zusätzlichen elastischen Elemente in den Wellentälern unbeweglich durch Verkleben befestigt

Entsprechend einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die zusätzlichen elastischen Elemente aus einem wärmebeständigen Polymerwerkstoff hergestellt

Noch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht darin, daß die zusätzlichen elastischen Elemente aus Polyesterurethaiiepoxid mit einem Gehalt von Epoxidgruppen in den Grenzen von 6 bis 10% hergestellt sind.

Ein weiteres Ausl'ührungsbeispie! der Erfindung besteht darin, daß die zusätzlichen elastischen Elemente aus einem synthetischen niedermolekularen Methylphenjlsiloxankautschuk hergestellt sind.

Der Einsatz von Nutenkeilen in die Nut des Ständerkerns mit Hilfe solcher abdichtend wellenförmigen Beilagen erfolgt ohne Komplizierung des zu entwerfenden und ohne Abänderung der bestehenden Kernnuten und Nutenkeile.

Dank einer Unterteilung der elastischen Polymerschicht durch den starren Werkstoff der wellenförmigen Beilage wird die allgemein übliche Technologie des Einsatzes der Nutenkeile ohne Beschädigung der eigentlichen Polymerschicht angewandt

Der seitliche Spalt für das Einlegen der Stäbe kann bei Verwendung dieser Beilage in Einzelfällen vermindert werden, was zu einer Verbesserung der Nutenausfüllung und Verbesserung des Wärmeziistands der Wicklung bei gleichzeitigem Erreichen einer hohen Reparaturfähigkeit der Maschine im ganzen führt.

Im weiteren wird die Erfindung anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel erläutert; es zeigt

F i g. 1 die in der Nut des Ständerkerns einer elektrischen Maschine angeordnete ausfüllende wellenförmige Zwischenlage; Längsschnitt gemäß der Erfindung,

F i g. 2 das gleiche im Querschnitt.

Aus der Fig. 1 und Fig.2 gehl hervor, daß der magnetische Kern, z. B. der Kern 1 des Ständers einer elektrischen Maschine, einen Satz von Blechen 2 enthält, die ein Profil aufweisen, mit dessen Hilfe im Kern 1 eine in Längsrichtung des Kerns 1 verlaufende radiale Nut 3 ausgebildet wird.

In der Längsnut 3 mit einem Ausschnitt 4 an jeder Wand derselben sind Wicklungsstäbe 5 der elektrischen Maschine untergebracht, welche eine Vielzahl von

Teilleitern 6 enthalten, die mit einer Isolationsschicht 7 isoliert sind. Auf dem Oberteil des Stabs 5 wird ein ebener Isolierteil in Form einer Platte 8 angeordnet. Im Oberteil der Nut 3 werden in Längsrichtung derselben mehrere der Reihe nach aneinanderstoßende Nutenkei-Ie 9 eingesetzt. Diese Keile 9 haben im Querschnitt die Form eines Schwalbenschwanzes und können in der Nut 3 mit Hilfe der Kanten 10 längs der entsprechenden Ausschnitte 4 axial gleiten. Zwischen der unteren Fläche der Nutenkeile 9 und der Isolierplatte 8 besteht ein im freier Raum — ein Spalt 11.

Im freien Raum zwischen den Nutenkeilen 9 und der isolierplatte 8 wird eine ausfüllende wellenförmige Beilage 12 untergebracht, welche eine sich periodisch ändernde Form aufweist und aus einem wellenförmigen Federelement 13 in Form eines gewundenen Bandprofils sowie aus in dessen Wellentälern 14 untergebrachten elastischen Elementen 15 besteht. Diese Elemente 15 sind z. B. ungefähr in Form des Teiles eines Zylinders, der der Form des Wellentals 14 des wellenförmigen Elements 13 entspricht, ausgeführt. In der Zeichnung zeigt, daß wellenförmige Federelement 13 eine große Wellenhöhe, was in erster Linie aus illustrativen Gründen gemacht ist. In Wirklichkeit ist das wellenförmige Element 13 flacher als hier dargestellt.

Die Montage und die Wirkung der ausfüllenden wellenförmigen Beilage geschieht folgenderweise:

Nachdem der Wicklungsstab 5 in der Nut 3 des Kerns

I untergebracht ist, wird beim Einsatz des Nutenkeils 9

in die Nut 3 die Stärke der Platte 8 so gewählt, daß die radiale Höhe des Spalts 11 zwischen dieser Isolierplatte 8 und der unteren Fläche des Nutenkeils 9 so groß ist. daß der Nutenkeil 9 eine Verformung des wellenförmigen Elements 13 und des elastischen Elements 15 der ausfüllenden wellenförmigen Beilage 12 bis etwa auf die Hälfte der Tiefe »W« des Wellentals 14 bei der nichtzusammengedrücklen Beilage 12 hervorruft.

Wenn beim Betrieb der elektrischen Maschine die elektrodynamischen Kräfte und die Wärme auf den Stab 5 in der Nut eine verformende Einwirkung ausüben, wird die resultierende Änderung des Spalts 11 durch die wellenförmige Beilage 12 behoben. Falls sich der Spalt

II verkleinert, wird die zusammengedrückte wellenförmige Beilage 12 bis auf einen gewissen Grad durch Streckung des wellenförmigen Elements 13 und Pressung des elastischen Elements 15 abgeflacht. Dabei entstehen summarische Federkräfte, die in radialer Richtung auf die untere Grundfläche des Nutenkeils 9 und die Isolierplatte 8 und über diese auf die Oberseite des Stabs 5 einwirken. Diese Kräfte verhindern die weitere Verminderung des Spalts 11 und also auch die radiale Verstellung des Stabs 5. Bei einer Vergrößerung des Spalts 11 wird die füllende wellenförmige Beilage 12 dikcer, sie übt jedoch auch weiterhin auf den Stab 5 eine wirksame radiale Kraft aus, die durch die Welleneinen- ■>■> gung des wellenförmigen Elements 13 und die Dehnung des elastischen Elements 15 hervorgerufen wird.

Die ausreichende summarische Federkraft des wellenförmigen Elements 13 und des elastischen Elements 15 der Beilage 12 wird bei einer die volle Tiefe H des bo Wellentals 14 in der nichtzusammengedrückten Beilage 12 unterschreitenden Stärke h des elastischen Elements 15 erreicht. Zum bequemen Einsatz des Nutenkeils 9 in die Nut 3 wird das elastische Element 15 in den Wellentälern 14 des wellenförmigen Elements 13 e>5 unbeweglich, z. B. durch Einkleben, befestigt. Bei den durch die Wärmewirkung hervorgerufenen Verstellungen des Stabs 5 gestattet die Elastizität des elastischen Elements 15, die Mokrounebenheiten desjenigen Teils der Isolation des Stabs 5 mit dem es in Berührung kommt, auszugleichen.

Am zweckmäßigsten sind für die Herstellung der füllenden wellenförmigen Beilage 12 plastische Werkstoffe zu verwenden, die ihre Elastizität bei Betriebstemperaturen und -drücken im Laufe einer langzeitigen Betriebsdauer der elektrischen Maschine beibehalten. So z. B. wird das wellenförmige Element 13 der Beilage

12 aus mit einem härtbaren Bindemittel auf der Basis eines wärmebeständigen Epoxidharzes imprägniertem Glasgewebe durch Pressen gefertigt, während das elastische Element 15 der Beilage 12 aus Silikongummi, z. B. aus synthetischem niedermolekularem Methylphenylsiloxankautschuk, hergestellt wird. Außerdem wird als Werkstoff für das elastische Element 15 auch Polyesterurethanepoxid mit einem Gehalt von Epoxidgruppen in den Grenzen von b bis 10% verwendet.

Das elastische Element 15 wird in den Wellentälern 14 des wellenförmigen Elements 13 durch Vergießen eines kalthärtbaren Silikonkompounds auf den harten Werkstoff des wellenförmigen Elements 13 befestigt. Dabei dringt das Polymer im flüssigen Zustand in die Vertiefungen und Poren dieses Werkstoffs ein. Nach der Aushärtung des Polymers entsteht zwischen dem harten Werkstoff und dem Polymer eine Verbindung, die unter der Bezeichnung »mechanische Adhäsion« bekannt ist. In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das elastische Element 15 an den Werkstoff des wellenförmigen Elements 13 durch Einkleben mit einem Klebestoff, z. B. auf der Basis eines Epoxidharzes mit Polyäthylenpolyaminen, angeschlossen.

Die besten Ergebnisse werden erzielt, wenn die wellenförmige Beilage folgende geometrische Abmessungen aufweist: Die Stärke des bandförmigen Werkstoffs für das wellenförmige Element 13 beträgt 0,7 bis 1,1 mm, die Wellenlänge des wellenförmigen Elements

13 beträgt 35 bis 55 mm, die Stärke des elastischen Elements 15 beträgt 0,5 bis 3.5 mm.

Es ist zweckmäßig, die erfindungsgemäße wellenförmige Beilage für die Befestigung der Stäbe von Ständerwicklungen elektrischer Generatoren mit einer Leistung bis 300 MW zu verwenden.

Die wellenförmige Beilage gemäß der vorliegenden Erfindung gestattet:

a) eine wirksame Behebung des Spalts zwischen dem Nutenkeil und dem Wicklungsstab mittels eines elastischen Polymerelements in den Vertiefungen des wellenförmigen Elements zustandezubringen. So z. B. lag die Vibration der Wicklungsstäbe bei Verwendung einer solchen Zwischenlage bei 3 bis ΙΟμίη, die irr. Laufe einer langen Zeit bei gleichzeitiger Einwirkung von elektromagnetischen Kräften und Wärmezyklen mit Erwärmungen bis auf 130⁰C und Abkühlungen bis auf 20⁰C beibehalten wurde;

b) eine den Stab zusammendrückende Kraft mit gleichzeitiger Verformung sowohl des wellenförmigen Elements als auch des elastischen Polymerelements beim Einsatz des Nutenkeils von einem höheren Wert als nur allein mit Hilfe des wellenförmigen Elements zu erzeugen. So z.B. beträgt die Druckbeanspruchung der im Ausführungsbeispiel beschriebenen wellenförmigen Beilage bei einer Verformung derselben bis auf die halbe Größe der Wellenhöhe etwa 15 bis 20kp/cm², während die Druckbeanspruchung allein des

wellenförmigen Elements ohne des zusätzlichen elastischen Polymerelements bei einer gleichen Verformung nur 4 bis 5 kp/cm² beträgt. Die die Lage des Nutenkeils in der Nut bestimmende Kraft wird auch eine viel längere Zeit beibehalten, wodurch ein Treibsitz des Keils gewährleistet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wellenförmiges Federelement zur Festlegung der Wicklungsstäbe in den Nuten einer elektrischen Maschine, welches aus einem bandförmigen steifen Isolierwerkstoff hergestellt ist und zwischen dem Wicklungsstab und dem Nutenkeil im zusammengedrückten Zustand angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich in den Wellentälern (14) des wellenförmigen Federelements (13) elastische Elemente (15) untergebracht sind.

2. Federelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen elastischen Elemente (15) ungefähr in Form des Teiles eines Zylinders, der die Form des Wellentals (14) aufweist, ausgeführt sind.

3. Federelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen elastischen Elemente (15) eine Stärke haben, die geringer als die volle Tiefe des Wellentals (14) des nicht zusammengedrückten Federelements (13) ist.

4. Federelement nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen elastischen Elemente (15) in den Wellentälern (14) unbeweglich durch Verkleben befestigt sind.

5. Federelement nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen elastischen elemente (15) aus einem wärmebeständigen Polymerwerkstoff hergestellt sind.

6. Federelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen elastischen Elemente (15) aus Polyesterurethanepoxid mit einem Gehalt von Epoxidgruppen in den Grenzen von 6 bis 10 Prozent hergestellt sind.

7. Federelcment nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen elastischen Elemente (15) aus synthetischem niedermolekularem Methylphenylsiloxankautschuk hergestellt sind.