DE2356433C3 - Verfahren zur Herstellung der Rotorwicklung einer elektrischen Maschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung der Rohrwicklung einer elektrischen Maschine, deren Rotorspulen zusammen mit verformbaren Körpern in mit Keilen abgeschlossenen Nuten liegen und durch Füllen der verformbaren Körper mit einem Kunstharz, welches anschließend unter Wärmeeinwirkung ausgehärtet wird, zusammengepreßt werden. Ein solches Verfahren ist aus der DE-OS 19 28 759 bekannt.

Für Wicklungen von Maschinen mit Rotoren können supraleitende Drähte vorgesehen sein, die im allgemeinen aus einer Vielzahl von dünnen Fäden aus einem supraleitenden Material hergestellt sind. Diese Fäden lassen sich in eine Kupfermalrix einbetten und bilden somit einen stabilisierten supraleitenden Draht. Bei kryogenen Temperaturen nahe dein absoluten Nullpunkt ist das supraleitende Material annähernd widerstandslos. Bei diesen Temperaturen stellt somit das Kupfer der Matrix praktisch einen Isolator dar.

Obwohl diese Drähte bei kryogenen Temperaturen eine hohe Stromtragfähigkeit haben, sind für viele elektromagnetische Vorrichtungen weit höhere Stromtragfähigkcitcn erforderlich, als sie für solche Drähte bekannt sind. Derartig hohe .Stromtragfähigkeiten werden insbesondere fü; Maschinen mit sehr großer Leistung benötigt.

Um diese hohen Ströme aufnehmen zu können, müssen entweder die Drähte im Durchmesser vergrößert oder der Leiter muß aus vielen Drähten gefertigt werden. Eine Vergrößerung des Kabeldurchmessers wirkt sich jedoch im allgemeinen auf die supraleitenden Eigenschaften solcher Drähte nachteilig aus. Deshalb ist ein Verkabeln von vielen einzelnen Drähten zweckmäßiger, zumal damit höhere Stromtragfähigkeiten als erforderlich erreicht werden können.

Bei einem solchen Verkabeln werden zwar größere Stromtragfähigkeiten erreicht und diese Drähte können beispielsweise vorteilhaft transponiert werden, es treten hierbei jedoch besondere Schwierigkeiten auf, die bei den bisher bekannten Anordnungen ungelöst geblieben sind. So werden bisher bekannte Leiter, die miteinander verflochten und transponiert sind, im allgemeinen entweder aus gegenseitig isolierten Drähten gefertigt. Sie können aber auch aus unisolierten Drähten bestehen, die dann miteinander verlötet sind, beispielsweise mittels eines Silber-Zinn-Eutektikums.

Leiter aus gegeneinander isolierten Drähten haben in einem angelegten Wechselstromfeld geringe Verluste, da in ihnen nur geringe Querströme entstehen. Darüber hinaus gestattet die Porosität eines solchen Aufbaus, daß ein Kühlmittel — im Falle von supraleitenden Wicklungen ein kryogenes Kühlmittel — durch die porenähnlichen Hohlräume zwischen den Drähten hindurchströmen kann, jedoch hat ein solcher Aufbau den Nachteil, daß sich die Drähte relativ zueinander bewegen können. Dies führt zu mechanischen Instabilitäten der Anordnung. Bekanntlich kann in einer supraleitenden Spule eine derartige Bewegung eines jeden Drahtes relativ zum Magnetfeld zu einem begrenzten »Quench« oder sogar zum Verlust der Supraleitfähigkeit der gesamten Spule führen.

Mit Leitern, deren einzelne Drähte miteinander verlötet sind, kann dagegen eine mechanisch feste Spule hergestellt werden. Jedoch fließen in einem angelegten Wechselstromfeld große Wirbelströme und führen so zu großen Verlusten. Es sind deshalb Versuche unternommen worden, die Drähte mit einem Material zu umgeben, das eine gewisse Isolierung bewirken könnte, beispielsweise mit einem Haftmittel aus einem Kunstharz. Ein entsprechendes Verfahren ist aus der US-PS 23 50 822 bekannt. Gemäß diesem Verfahren wird das Haftmittel durch Erhitzung aufgeschmolzen, um nach dem Wiedererkalten eine Verbindung zwischen aneinanderliegenden Drähten an ihren Berührungsflächen herzustellen. Solche Verbindungen sind aber für supraleitende Wicklungen ungeeignet. Es hat sich nämlich gezeigt, daß das Kunstharz zu keiner ausreichend mechanischen festen Verbindung zwischen den einzelnen Drähten führt, wie sie beispielsweise mit einer Verlötung erreicht wird. Darüber hinaus ist das Kunstharz als Isolationsmaterial nur unzulänglich. Man hat deshalb entweder eine mangelnde Festigkeit der Lei tür, die aus isolierten Drähten gefertigt sind, oder hohe Verluste, die von unisolierten und miteinander verlöteten Drähten herrühren, in Kauf genommen.

Ferner sind neben diesen bekannten Arten, Drähte miteinander zu verbinden, auch isolierte Drähte mit einem Haftmittel überzogen worden. Jedoch ist die mechanische Belastbarkeit eines solchen Haftmittels als Verbindungsmaterial nicht ausreichend, um zwischen den Drähten einer Wicklung relative Bewegungen auszuschließen.

Große normalleitende Wicklungen, die eine Anzahl von Leiterlagen enthalten und die für Rotoren in elektrischen Maschinen vorgesehen sind, lassen sich mit dem aus der bereits genannten DE-OS 19 28 759 bekannten Verfahren festlegen. Gemäß diesem Verfahren werden zunächst die einzelnen Windungen der Wicklung innerhalb der Nuten mit einem oder mehreren aufblasbaren rohrförmigen Körpern zusammengestellt, die über die Länge jeder NuI verlaufen. Anschließend werden die Nuten durch Keile geschlossen und die rohrförmigen Körper mittels eines Abdruckmaterials,

beispielsweise mittels eines Kunstharzes, in den Nuten zusammengepreßt, das danach ausgehärtet wird. Ein solches Verfahren wird allgemein angewendet, um die Leiterlagen gegen besondere Nutkeile zu drücken und somit vertikale Bewegungen in den Nuten auszuschließen. Jedoch ist dieses Verfahren auf Anordnungen mit einer verhältnismäßig geringen Anzahl von Lagen normalleitender Drähte in den Nuten begrenzt, bei denen hauptsächlich vertikale Bewegungen unterbinden werde;* sollen. Bei einer entsprechenden Anordnung mit einer verhältnismäßig großen Anzahl von supraleitenden Drähten in deren Nuten können jedoch die Drähte beschädig! werden, sobald die erforderlichen hohen Drücke aufgewendet werden, um die Drähte so weit zusammenzupressen, daß ihre Bewegung sowohl in vertikaler als auch horizontaler Richtung ausgeschlossen ist. Darüber hinaus würde ein Zusammendrücken der Drähte in diesem Ausmaß die zwischen ihnen ausgebildeten Hohlräume, die zweckmäßig für eine Kühlung herangezogen werden können, vollständig beseitigen.

Auch aus der DE-AS 12 60 604 ist ein entsprechendes Verfahren zum Fixieren von normalleitenden Wicklungen in Nuten elektrischer Maschinen bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung der Rotorwicklung einer elektrischen Maschine anzugeben, bei dem eine zur Aufrechterhaltung eines supraleitenden Zustandes ausreichende Kühlung der Rotorwicklung ermöglicht wird. Dabei sollen Leiterbewegungen ausgeschlossen sein, dip zu einem Normalleitend-Werden der Supraleiter führen können. Darüber hinaus sollen die elektrischen Verluste aufgrund von Wirbelströmen, die ebenfalls /u einer Erwärmung der Wicklung führen können, geringgehalten werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art zur Herstellung der Rotorwicklung einer elektrischen Maschine erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß isolierte, supraleitende Drähte verwendet werden, die mit einem druck- und hitzeempfindlichen Haftmittel umgeben sind, daß die Drähte unter der Druckeinwirkung bei Ausdehnung der verformbaren Körper unter Aufrechterhaltung von Zwischenräumen in den Zwickeln aneinander angenähert werden, wobei das Haftmittel an den Berührungsflächen zwischen aneinanderliegenden Drähten aufschmilzt, und daß schließlich die Drähte bei der Verfestigung des Haftmittels aufgrund eir.er vorbestimmten Erwärmung des Rotors an ihren Berührungsflächen starr verbunden werden.

Das Verfahren hat insbesondere den Vorteil, daß die Rotorspulen der Wicklung, die zunächst mittels der Keile in den Nuten festgehalten werden, durch ein Ausdehnen der verformbaren Körper am unteren Ende jeder Nut genügend zusammengepreßt werden können, um eine kompakte Einheit zu formen und ein Verschmelzen des besonderen Haftmittels zu bewirken. Dabei läßt sich vorteilhaft ausschließen, daß das Haftmittel in die Zwischenräume fließt, die zwischen benachbarten Drähten in den Snulen ausgebildet sind. Es wird so die Durchlass!,,.:!.;: Jer Wicklung für ein kryogenes Medium gewährleistet, ohne daß erst besondere Kühlkanäle vorgesehen werden müssen. Ferner werden mechanische Bewegungen der Drähte verhindert, ohne daß eine Gefahr deren Beschädigung besteht oder diese in eine feste Masse eingebettet werden müssen. Durch die Aushärtung des Abdruckmaterials und aufgrund der Erhitzung der Wicklung werden die einzelnen Drähte gegeneinander in einer festen Stellung gehalten. Die Verluste der so hergestellten Wicklung in einem äußeren Wechselstromfeld sind außerdem gering, da eine gute gegenseitige Isolation der Drähte vorgesehen ist.

Zur weiteren Erläuterung der Einzelheiten. Vorteile und kennzeichnende Merkmale der Erfindung und deren in dem Unteranspruch gekennzeichneten Weiterbildung wird auf die Zeichnung verwiesen, die eine

κι beispielhafte Anordnung veranschaulicht, aber keine Einschränkung der Erfindung auf dieses Ausführungsbeispiel darstellen soll.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Rotors einer elektronischen Maschine, der eine Wicklung enthält, die in einer Nut gemäß dem Verfahren nach der Erfindung angeordnet ist, Fig. IA stellt eine Teilansicht der Nut nach Fig. 1 vor einer Ausdehnung eines Körpers am unteren Ende der Nut dar und Fig. 2 gibt eine vergrößerte Ansicht eines Teiles der Wicklung der Anordnung wieder, die in F i g. J dargestellt ist.

In Fig. 1 ist eine gemäß dem Verfahren nach der Erfindung hergestellte Wicklung 11 als supraleitende Rotorspule veranschaulicht. Sie enthält mit einem Haftmittel überzogene Drähte 13. die zu Leitern

2ϊ vereinigt sind. Diese Leiter können entweder durch Verflechten oder Transponieren der Drähte hergestellt werden. Eine vorbestimmte Anzahl von Windungen dieses Leiters sind in einer Nu! 23 des Rotors angeordnet. Eine solche Wicklung 11 kann aber auch in

μ gleicher Weise in einer entsprechenden Kammer einer anderen elektrischen Maschine angeordnet sein.

Am unteren Ende, d. h. auf dem Boden der Nut 23 ist ein verformbarer Körper 25 angeordnet. Er ist zur Verdeutlichung so dargestellt, daß er einen größeren

)-, Teil der Nut 23 einnimmt, als im Normalfall vorgesehen ist. Dieser verformbare Körper 25 kann aus jedem geeigneten Material hergestellt werden, das durch Einführung eines Abdruckmaterials 27 ausgedehnt werden kann. Als Abdruckmaterial 27 ist jedes ausreichend flüssige Material geeignet, das in den Körper 25 gepreßt werden kann und somit die Ausdehnung des Körpers 25 und ein entsprechendes Zusammenpressen der Windungen hervorruft, die oberhalb dieres Körpers 25 in der Nut 23 angeordnet

■ii sind. In der Fig. 1 ist der verformbare Körper im ausgedehnten Zustand veranschaulicht. Das Abdruckmaterial 27 und der Körper 25 müssen dann eine ausreichende Festigkeit bekommen, um die Windungen in dem zusammengepreßten Zustand zu halten. Gut

■">() geeignet ist cm flüssiges Kunstharz ais Abdruckmaterial 27. Nachdem dieses Kunstharz eingeführt ist, um die Windungen der Wicklung 11 mit einem genügenden Druck zusammenzupressen und so ein Haftmittel, mit dem die Drähte 13 überzogen sind, zwischen aneinan-

Y) derliegenden Drähten 13 zum Verschmelzen zu bringen, ohne daß die zwischen benachbarten Drähten 13 ausgebildeten Zwischenräume 31 völlig ausgefüllt werden, wird das Kunstharz ausgehärtet. Damit lassen sich die Windungen und deren Drähte 13 in ihrer

μ) relativen Lage zueinander unverrückbar halten. Das Kunstharz des Abdruckmaterials 27 kann vorzugsweise ein hitzeernpfindliches Material sein, das aushärtet, sobald es ausreichend erhitzt wurde. Darüber hinaus kann das Aushärten auch in jeder entsprechenden

h - anderen Weise vorgenommen werden.

Ein Keil 29 hält die Windungen in der Nut 23 in ihrer Lage fest. Dieser Keil 29 wird in den äußeren Teil der Nut 23 des Rotors getrieben, nachdem die Windungen

darin untergebracht sind. Er stellt somit einen festen Abschluß im äußeren Teil der Nut 23 her. Darüber hinaus kann er die Windungen in der Nut 23 etwas zusammenpressen, sobald er in die Nut eingetrieben ist und bevor das ^Λ '"»druckmaterial 27 eingefühlt wird.

In F i g. 1A im der am unteren Ende einer Nut gemäß Fig. 1 angeordnete verformbare Körper 25 im zusammengezogenen Zustand veranschaulicht, d. h. ein Abdruckmaterial ist in ihn noch nicht eingepreßt worden, um die Drähte 13 der Wicklung 11 zusammenzudrücken, ohne daß die Zwischenräume 31 zwischen benachbarten Drähten 13 völlig ausgefüllt werden.

Nachdem die Windungen der Wicklung 11 mittels eines Abdruckmaterials auf die gewünschte Form zusammengepreßt sind, wird das Haftmittel 21 zwischen aneinanderliegenden Drähten 13 geschmolzen und nimmt die in Fig. 2 gezeigte Form an. In dieser Figur sind die supraleitenden Drähte 13 in einem größeren Ausschnitt veranschaulicht. Diese Drähte 13 enthalten eine Vielzahl von Fäden 15, die aus einem entsprechenden supraleitenden Material, beispielsweise Niob-Titan. hergestellt sind. Sie sind zu einer Litze zusammengefaßt, die mit einer Hülle 17 aus normalleitendem Material, beispielsweise Kupfer, versehen ist. Bei kryogenen Temperaturen, bei denen die Fäden 15 praktisch widerstandslos sind, stellt diese Hülle 17 einen Nichtleiter oder Isolator dar. Jede dieser Hüllen 17 aus normalleitendem Material ist von einer Schicht aus Isolationsmaterial 19 umgeben, das jedes dafür zweckmäßige Isolationsmaterial sein kann. Für die Anordnung gemäß der Erfindung ist ein spezielles phenolsubstituicrtcs Polymeres vom Venyltyp besonders geeignet.

leder der Drähte 13 ist mit einem Haftmittel 21 ummantelt oder überzogen. Dieses Haftmittel ist ein Material, das selbstklebend wirkt und unter besonderen äußeren Bedingungen eine starre Struktur schafft.

Beispielsweise kann das Haftmittel ein druckempfindliches Material sein, das von selbst aneinanderhaflet, sobald ein genügender äußerer Druck aufgewendet wird. Vorzugsweise geeignet als Haftmittel ist ein

■'> Epoxydharz, das selbstklebend wirkt, sobald es auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt wird. Wenn also die Drähte 13 so angeordnet sind, daß ihre äußeren Hüllen 17 mit dem Haftmittel 21 aneinanderstoßen und sie auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt werden, können

ι« die aneinanderstoßenden Drähte 13 in ihrer gegenseitigen Lage mittels dieses Haftmittels 21 verbunden und festgehalten werden. Das Haftmittel ist eine verhältnismäßig zähflüssige Substanz und läßt sich somit nicht wesentlich in die in Längsrichtung zwischen den

Ii Drähten 13 ausgebildeten Zwischenräume 31 drücken, wenn ein äußerer Druck aufgewendet wird.

Die in den F i g. 1, 1A und 2 veranschaulichten Drähte 13 haben kreisförmige Querschnitte. Sie können zwar auch andere Querschnitte besitzen, müssen jedoch so

;<> gestaltet sein, daß zwischen aneinanderliegenden benachbarten Drähten Zwischenräume 31 ausgebildet werden, damit eine ausreichende Porosität der Wicklung 11 gewährleistet ist. Mit dem Verfahren nach der Erfindung werden solche Zwischenräume in der

:·) Wicklung erhalten. Ein geeignetes Kühlmittel, beispielsweise ein kryogenes Medium wie Helium, kann dann durch diese Zwischenräume fließen. Damit läßt sich eine günstige Kühlung der Wicklung vornehmen.

Im Ausführungsbeispiel ist die Herstellung einer

μ supraleitenden Rotorspule beschrieben worden. Das Verfahren nach der Erfindung läßt aber auch Anwendungen außerhalb dieser speziellen Vorrichtung zu, beispielsweise zur Herstellung von Statorspulen, Elektromagneten oder von Spulen für sonstige elektrische

Λ Maschinen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung der Rotorwicklung einer elektrischen Maschine, deren Rotorspulen zusammen mit verformbaren Körpern in mit Keilen abgeschlossenen Nuten liegen und durch Füllen der verformbaren Körper mit einem Kunstharz, welches anschließend unter Wärmeeinwirkung ausgehärtet wird, zusammengepreßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß isolierte, supraleitende Drähte (13) verwendet werden, die mit einem druck- und hitzeempfindiichen Haftmittel (21) umgeben sind, daß die Drähte (13) unter der Druckeinwirkung bei Ausdehnung der verformbaren Körper (25) unter Aufrechterhaltung von Zwischenräumen in den Zwickeln aneinander angenähen werden, wobei das Haftmittel (21) an den Berührungsflächen zwischen aneinanderliegenden Drähten (13) aufschmilzt, und daß schließlich die Drähte (13) bei der Verfestigung des Haftmittels (21) aufgrund einer vorbestimmten Erwärmung des Rotors an ihren Berührungsflächen starr verbunden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Drähte (13) mit einer Vielzahl von supraleitenden Fäden (15) verwendet werden, die mit einer Hülle (17) aus normalleitendem Material umschlossen sind, die von einer Schicht (19) aus nichtleitendem Material überzogen ist.