DE3636008A1 - Elektrische maschine mit einer in ganztraenktechnik hergestellten statorwicklung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine mit einer in Ganztränktechnik hergestellten Statorwick­ lung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Wicklungen und Verfahren zu deren Herstellung dieser Art sind z. B. aus dem von H. Sequenz herausgegebenen Buch "Herstellung der Wicklungen elektrischer Maschinen" Springer Verlag Wien-New-York 1973, S. 153, aus der Pub­ likation "Micadur-Compact Kunstharz-Isolierung für mittle­ re Hochspannungsmaschinen" der BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz) - No. 3889, oder auch der DE-PS 25 38 702 bekannt.

Beim Bekannten werden die aus mehreren isolierten Drähten (Windungen) aufgebauten Spulen oder die Stäbe auf die richtige Form gebracht, in ihrem Nutteil verklebt und mit einem kombinierten Glasseide-Feinglimmer-Band, der Hauptisolierung, fortlaufend auf der ganzen Länge mehr­ fach umwickelt. Dank der Verwendung des gleichen Bandes für die ganze Spulenlänge entsteht eine gleichmässige Spulenisolierung. Die fertigen Spulen werden unimprägniert (trocken), wenn nötig mit einem Glimmschutzbelag versehen, in das Eisenpaket eingelegt, zusammengeschaltet und die Nuten mit Keilen verschlossen.

Die Wickelkopfabstützung ist mit endlosen, saugfähigen Glasfaserbandagen bzw. -dochten ausgeführt. Durch Trocknen wird der Wicklung die letzte Feuchtigkeit entzogen und dann das ganze Magnetblechpaket mit Wicklung in ein Im­ prägniergefäss eingesetzt und nach einem Vakuumprozess mit einem Epoxidharz imprägniert. Eine abschliessende Druckbehandlung unterstützt das Eindringen des Harzes in alle Isolierungsteile und Abstützelemente. Dann schliesst sich eine Aushärteperiode bei erhöhter Temperatur an.

Die nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellten Wicklungen zeichnen sich insbesondere durch folgende Eigenschaften aus:

Hohe mechanische Festigkeit, gleichmässige Spannungs­ festigkeit und gute dielektrische Eigenschaften, hohe thermische Belastbarkeit, Unempfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit, Oel, sonstigen Verunreinigungen, Einwir­ kung radioaktiver Strahlung und hohe Betriebssicherheit.

Bei Anwendung dieser Technologie auf Maschinen mit grösse­ rer Leistung konnten nun einige Nachteile festgestellt werden, die zu Wicklungsfehlern im Betrieb führen können, wenn keine entsprechenden Vorkehrungen getroffen werden.

Mit zunehmender Maschinenleistung bzw. Nennspannung ver­ längern sich die Magnetblechkörper- sowie Kupferleiter­ längen. Bei Erwärmung/Abkühlung der Maschine entstehen grosse Dehnungsdifferenzen, die nicht mehr sicher von den Verklebungsstellen Magnetblechpaket/Isolierung resp. Isolierung/Kupferleiter aufgenommen werden können. Die Folgen sind lokale Abrisse und Lockerungen.

Mit steigenden Maschinenleistungen erhöhen sich zudem die anregenden, hauptsächlich in radialer Richtung wir­ kenden Stromkräfte in den Leitern in den Blechpaket-Nuten, so dass diese nach anfänglicher Lockerung mit doppelter Netzfrequenz vibrieren können. Die Folge ist eine mecha­ nische Zerstörung der Hauptisolierung, die schlussendlich zum Ausfall der Maschine führen kann.

Der geeigneten Ausbildung der Nutfüllung kommt daher bei zunehmender Maschinenleistung grösste Bedeutung zu.

Eine mögliche Lösung des Problems ist Gegenstand der DE-OS 22 01 346, welche eine elektrische Maschine be­ trifft, bei der die in Nuten des Blechpaketes angeordne­ ten isolierten Wicklungsstäbe durch eine insbesondere leitfahige Teilchen enthaltende Beilage aus harzgetränk­ ten Faserstoffen zwischen den Seitenwänden der Nut und den Wicklungsstäben, in ihrer Lage festgelegt sind. Eine axiale Bewegung der Beilage infolge Temperaturwechsel der Maschine wird dadurch vermieden, dass die den iso­ lierten Wicklungsstäben zugewandten Oberfläche der Beilage einen kleineren Reibungskoeffizienten aufweist als die der Seitenwand der Nut zugewandte Oberfläche.

Die Reibung der Beilage an der Oberfläche der isolierten Wicklungsstabe ist also wesentlich geringer als die ge­ genüber der an sich bereits durch die Toleranzen der einzelnen Bleche wesentlich rauheren Seitenwand der Nut. Man vermeidet somit ein Anhaften der Beilage an der Ober­ fläche der isolierten Wicklungsstäbe, insbesondere wenn diese während der Perioden der grössten Erwärmung erhitzt sind und gegen die Beilage drücken, was zu einer Mit­ nahme der Beilage während der Längenänderung der Wick­ lungsstäbe und schliesslich zu einem Austreiben der Bei­ lage aus der Nut geführt hatte. Die Beilage behält somit in der Nut auch während der zahlreichen Wärmewechsel ihre axiale Lage unverändert bei, während sich die Wick­ lungsstäbe axial frei bewegen. Dadurch wird auch eine Beschädigung der Isolierung der Wicklungsstäbe vermieden.

Dieser Aufbau eignet sich jedoch nicht für ganzgetränkte Wicklungen, weil beim Imprägnierprozess die gesamte Nut­ füllung aus Wicklung und Beilage in der Nut verklebt.

Ausgehend vom geschilderten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Statorwicklung zu schaffen, die eine axiale Ausdehnung der Wicklungsstäbe ermöglicht, ohne dass Delaminierungen innerhalb der Iso­ lierung oder zwischen Isolierung und Leiterbündel auf­ treten und bei der alle zur mechanischen Abstützung be­ nötigten Teile fest verklebt bleiben.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die in den Patent­ ansprüchen gekennzeichnete Erfindung.

Durch die erfindungsgemässe Ausbildung der Wicklung sind die Wicklungsstäbe in radialer Richtung sicher gehalten, andererseits können sich die Wicklungsstäbe in axialer Richtung in der Nut frei ausdehnen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch die in der Nut eines Statorblechkörpers liegenden Statorwicklungs­ stäbe einer elektrischen Maschine,

Fig. 2 einen Längsschnitt der Nutfüllung gemäss Fig. 1 längs deren Linie AA in der Höhe der Zwischen­ lage,

Fig. 3 eine Abwandlung von Fig. 1 mit einer als Mittel­ keil ausgebildeten Zwischenlage.

In Fig. 1 ist in Nuten im Statorblechkörper 1 eines gas­ gekühlten Turbogenerators ein Unterstab 2 und ein Ober­ stab 3 angeordnet, welche durch eine Zwischenlage 4 aus glasfaserverstarktem Kunstharz getrennt sind. Die Nut ist durch einen Nutkeil 5 aus glasfaserverstärktem Kunst­ stoff verschlossen. Zwischen dem Nutkeil 5 und dem Ober­ stab 3 ist eine Keilunterlage 6 aus ebenfalls glasfaser­ verstärktem Material angeordnet.

Unter- und Oberstab 2, 3 sind im Prinzip in klassischer Weise aufgebaut. Jeder Stab besteht aus einer Vielzahl von gegeneinander isolierten Teilleitern 7, die im Bei­ spielsfall nach dem Roebel-Prinzip verdrillt sind. Das Teilleiterbündel ist von einer für das Tränkharz durch­ lässigen Hauptisolierung 8 umgeben, dessen äussere Ober­ fläche allseits mit einem Aussen- bzw. Nutglimmschutz (nicht dargestellt) versehen ist.

Die derart aufgebauten Wicklungsstäbe 2, 3 sind erfin­ dungsgemäss im Eisenteil des Stators allseits von einem Gleitbelag 9 umgeben. Dieser Gleitbelag 9 kann bahnen­ förmig in Stablängsrichtung mit oder ohne Ueberlappung um den mit der Hauptisolierung 8 versehenen Stab herum­ geschlagen sein oder in Bandform mit oder ohne Ueber­ lappung um den Stab gewickelt sein. Der Gleitbelag 9 be­ steht aus Glasfasergewebe oder Glasvlies, das mit einem leitende Füllstoffe enthaltenden Silikonharz, z. B. Gra­ phit-Pulver oder dergl., getränkt ist, welches die elek­ trische Leitfähigkeit des Gleitbelages bestimmt, wobei der Oberflächenwiderstand in der Grössenordnung 1 ... 25 kΩ pro Flächeneinheit betragen soll.

Der Gleitbelag 9 wird im trockenen Zustand also bei aus­ gehärtetem Silikonharz appliziert und das so vorbereitete Unterstabbündel 2 trocken in die Nut eingelegt.

Danach wird die Zwischenlage 4 eingelegt, das in gleicher Weise aufgebaute Oberstabbündel 3 und die Keilunterlage 6 in die Nut eingelegt. Schliesslich wird die Nut durch den Nutkeil 5 verschlossen. Nachdem die Wicklung fertig verschaltet, im Wickelkopf distanziert und verschnürt ist, wird der Stator als Ganzes mit Tränkharz auf Epoxid­ oder Polyesterbasis imprägniert. Einzelheiten dieser Technologie sind in der einschlägigen Literatur, insbe­ sondere in der eingangs genannten Firmenschrift "MICADUR Compact ..." ausführlich beschrieben. Dabei dringt das Tränkharz von beiden Statorstirnseiten her in den Stab­ verband ein und füllt dabei alle Spalte und Hohlräume, auch die (mit 10 bezeichneten) Hohlräume an den Kröpfungs­ stellen der Teilleiter 7, aus. Bei der Aushärtung des Tränkharzes verkleben die Nutkeile 5 mit dem Statoreisen, gleichfalls die Zwischenlagen 4. Eine Verklebung des Gleitbelages 9 mit der Hauptisolierung 8 wird jedoch wegen der unterschiedlichen Tränkharzbasis (Silikonharz im Gleitbelag 9 einerseits - Epoxy- oder Polyesterharz im übrigen Isoliersystem) jedoch nicht statt. Auf diese Weise sind die Stäbe 2, 3 in radialer Richtung sicher gehalten, die fest mit den Nutseitenwänden verklebte Zwischenlage 4 übernimmt dabei einen Teil dieser Kräfte. Andererseits können sich die Stäbe in axialer Richtung in der Nut ausdehnen, ohne dass Delaminierungen inner­ halb der Isolierung oder zwischen Isolierung und Teil­ leiterbündel auftreten.

Durch eine spezielle Gestaltung der Zwischenlage 4 bzw. der an sie angrenzenden Nutpartie lässt sich die Abstütz­ funktion der Zwischenlage weiter verbessern.

Bei praktisch allen grösseren Maschinentypen ist der Statorblechkörper 1 in Axialrichtung in Teilblechpakete (1 a, 1 b, 1 c, 1 d, Fig. 2) unterteilt, die voneinander distanziert sind. Diese Distanzen bilden radiale Kühl­ schlitze 11 zur Zu- und/oder Abfuhr des Kühlgases in und/oder aus dem Maschinenluftspalt und zur Kühlung der Statorwicklung. Bei derartigen Maschinentypen ist es vorteilhaft, die Zwischenlagen mit seitlichen, buckel­ oder leistenförmigen Vorsprüngen 12 zu versehen, welche in die Kühlschlitze 11 eingreifen. Die Zwischenlagen 4 können einstückig, also so lange wie der Statorblech­ körper 1 oder, wie in Fig. 2 durch die strichlierte Linie angedeutet auch in Längsrichtung unterteilt sein, wobei die Trennstelle vorzugsweise zwischen zwei benachbarten Kühlschlitzen 11 zu legen ist.

Eine zwar gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 2 auf­ wendigere, aber noch effektivere radiale Abstützung des Unterstabes 2 lässt sich erzielen, wenn gemäss Fig. 3 die Zwischenlagen richtiggehend als Mittelkeil 4′ aus­ gebildet sind. Zu diesem Zweck sind in beiden Nutseiten­ wänden Nuten 13 mit Dreieck-Querschnitt eingebracht, in welche die Mittelkeile 4′ von den Statorstirnseiten her eingeschoben sind. Die Keilform kann dabei derjenigen des Nutkeils 5 entsprechen.

Die Variante gemäss Fig. 3 lässt sich selbstverständlich sowohl bei Maschinen mit als auch ohne Kühlschlitze an­ wenden.

Die Form der Zwischenlage 4 bzw. des Mittelkeils 4′ kann den jeweiligen Gegebenheiten angepasst werden, und zwar hinsichtlich Querschnitt und Anzahl der Vorsprünge 12, z. B. nur ein Vorsprung in jedem zweiten Kühlschlitz.

Die erfindungsgemässe Ausführung der Statorwicklung be­ dingt zwar insbesondere bei grossen Eisenlängen längere Imprägnierungszeiten, um eine vollständige Imprägnierung des Stabverbandes im maschinenmittigen Bereich sicher­ zustellen, doch wird dies durch die höhere Lebensdauer der Isolierung weit mehr als wettgemacht. Darüber hinaus ermöglicht es die Erfindung erstmals, Statorwicklungen von Maschinen mit Eisenlängen bis zu 6 m überhaupt nach dem Ganztränkverfahren herzustellen.

Claims (7)

1. Elektrische Maschine mit einer in Ganztränktechnik hergestellten Statorwicklung, die aus gegeneinander isolierten Teilleitern (7) besteht, die zu Wicklungs­ stäben (2, 3) zusammengefasst und von einer Hauptiso­ lierung (8) umgeben in Nuten am Statorblechkörper (1) angeordnet und von Nutkeilen (5) in radialer Rich­ tung fixiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsstäbe (2, 3) allseitig von einem Gleitbelag (9) umgeben sind, der nach Imprägnierung und Aushär­ tung des Tränkharzes keine Klebeverbindung mit der Hauptisolierung (8) aufweist, während die Nutkeile (5) fest mit dem Statorblechkörper (1) verklebt sind.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Gleitbelag (9) aus band- oder bah­ nenformigem Vlies oder Gewebe besteht, welches mit einem Harz getränkt ist, das leitende Füllstoffe zur Erzielung der erforderlichen elektrischen Leitfähig­ keit des Gleitbelages enthält.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Gleitbelag aus Glasfaservlies oder -gewebe besteht, das mit Silikonharz, dem leitende Füllstoffe beigemengt sind, getränkt ist.

4. Elektrische Maschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Unter (2)- und Oberstab (3) umfassenden Statorwick­ lung zwischen den beiden Stäben (2, 3) eine mit dem Magnetblechpaket (1) verklebte Zwischenlage (4; 4′) aus Isoliermaterial angeordnet ist.

5. Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Zwischenlage in Form eines Nutkeils (4′) ausgebildet ist, der in Nuten (13) in der Nut­ seitenwand eingreift und dort verklebt ist (Fig. 3).

6. Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Zwischenlage (4) mit seitlichen Vorsprüngen (12) versehen ist, welche in radiale Kühl­ schlitze (11) im Statorblechkörper (1) eingreifen (Fig. 2).

7. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischen­ lagen (4; 4′) elektrisch leitende Oberflächen auf­ weisen.