WO2009092737A2 - Verfahren zur verbesserten herstellung der isolierung eines leiterelementes für eine elektrische maschine - Google Patents

Verfahren zur verbesserten herstellung der isolierung eines leiterelementes für eine elektrische maschine Download PDF

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WO2009092737A2
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conductor element
voltage
curing
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Hossein Safari Zadeh
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K15/12—Impregnating, heating or drying of windings, stators, rotors or machines
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
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    • H02K3/32—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation
    • H02K3/40—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation for high voltage, e.g. affording protection against corona discharges

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing an insulation of a conductor element for an electric machine, wherein the insulation comprises an insulating tape, optionally with a filler contained therein, which is wound around the conductor element and impregnated with a curable resin.
  • Such conductor elements are used to form the electrical winding of large electrical machines and in particular to form the stator winding of power plant generators, which consist mostly of rigid metal elements. These conductor elements are predetermined in their shape and are connected together to form the entire winding of the electrical machine. In order to enable an electrical insulation of the conductor elements to one another, an insulation is formed around the conductor elements around, which has a significant influence on the loss values of the electrical machine by their specific formations. These loss values are determined not only by the thickness of the insulation, but also by their nature. The insulation is usually formed from an insulating tape which is wrapped around the conductor elements. The insulating tape is then soaked with a resin, which must be subsequently cured.
  • the Loss values of the electrical winding which directly influence the efficiency of the electrical machines, are also dependent on the proportion of resin which is accommodated within the insulating tape. Also, the degree of curing and in particular the degree of polymerization and the density of the resin in the insulating tape, have an influence on the loss values.
  • European Patent Application EP 0 978 929 A2 discloses a method for impregnating conductor elements for the stator winding of an electrical machine.
  • the conductor elements are provided over the entire length with a pressure and fluid-tight envelope, so that the coated conductor bar in a pressing device is subjected to a pressure on all sides.
  • an impregnating fluid is filled with a pressure which is smaller than the pressure acting on all sides on the outside of the shell. The so acted on the entire length impregnating resin, surrounded by the shell conductor element is subsequently exposed to a curing temperature and at the same time pressed with a pressing device to shape and dimension.
  • the invention includes the technical teaching that at least one electrode plate is disposed adjacent to the outside of the insulation, and an amount of heat is applied by applying a voltage between the conductor element and the electrode plate in the insulation to act on the existing resin in the insulating tape.
  • the invention is based on the idea of providing the provision of energy for generating the curing temperature within the insulation by means of an electrical voltage.
  • the arrangement of the conductor element, the insulation and the electrode plates form a capacitor, wherein the insulation by the liquid contained in the insulating tape or the resin contained in the insulating tape has the properties of a dielectric. In the former case, this may be moisture present at the beginning in the insulating tape, in the second case the amount of resin introduced in one of the later process steps, which is in the
  • Electrode plates and the conductor element itself are not or only minimally heated.
  • a highly efficient energy input can be achieved, in particular, the disadvantage of gradient formation is avoided by heated tools. Namely, if the insulation is heated by heated press plates, the temperature effect on the insulation adjacent to the heated elements is greater and decreases with increasing distance from them. This gradient formation is not observed in the generation of heat by the high voltage with the high frequency, so that it can be assumed that a homogeneous heat development in the insulation. Consequently, there are significant advantages in the curing of the resin within the insulating tape.
  • the conductor element with the insulation be inserted into a first electrode plate with a U-shape and be positioned centrally with gap compensation elements in this.
  • the gap compensation elements have the task of reducing the amount of resin for impregnating the insulation. These occupy a certain space within the U-shape, so that the interior of the U-shaped electrode plate can be adapted to the geometry of the conductor element.
  • the gap compensation elements are preferably made of a
  • Non-conductor in particular polytetrafluoroethylene (PTFE), or of a metal.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • a planar electrode plate is positioned for sealing the conductor element against the opening side of the U-shaped electrode plate on the opposite side, wherein end covers designed with voltage contacts are then attached to the end regions located in the extension direction of the conductor element.
  • the result is an arrangement of two electrode plates and two end covers, which form an enclosed interior.
  • the end caps can be sealed pressure-tight against the electrode plates with sealing elements, wherein also a corresponding sealing element can be provided between the U-shaped electrode plate and the planar electrode plate.
  • the voltage contacts are introduced in the end plates against this by means of an insulator element in a stress-insulating.
  • the conductor element is located within the electrode plates, wherein the insulation still a production due to a Has residual moisture, which must be removed from the insulation in the subsequent process step.
  • the moisture is evaporated within the insulating tape by means of the introduced amount of heat with simultaneous application of a vacuum in the space formed by the electrode plates and the end covers from the insulating tape.
  • the amount of heat is introduced by applying the high voltage between the conductor element and the electrode plates, as well as the residual moisture within the insulating tape has the properties of a dielectric.
  • the moisture within the insulating tape is thereby heated and can evaporate.
  • the evaporation is favored by the formation of the negative pressure, since the evaporation temperature of the moisture with a lower pressure also decreases. Due to the superposition of the vacuum with the heat input of the
  • This drying process may be incorporated into other common prior art processes, such as the so-called TVPI (Tube-Vacuum-Pressure-Impregnation) process, in which the conductor elements wrapped with an insulating tape are provided with a pressure and fluid-tight envelope made of metal can exist are provided.
  • TVPI Tube-Vacuum-Pressure-Impregnation
  • the resin forms the dielectric between the conductor element and the electrode plates, wherein the heat input does not lead to the evaporation of the resin, but to the Curing or polymerization.
  • This curing process can be integrated with other prior art processes, particularly the TVPI process.
  • the parameters of the high voltage can be chosen differently for the evaporation of moisture and for the curing of the resin and can be varied, for example, during the respective process.
  • the voltage is applied in the form of a high voltage of 100V to 4kV, preferably 700V to 2kV, and more preferably 1kV between the conductor element and the electrode plate.
  • the voltage is selected in the form of an alternating voltage with a high frequency of 5OkHz to 40MHz, preferably of at least 0.3MHz to 10MHz and more preferably of 0.5MHz.
  • a variation of the voltage and / or the high frequency can be selected within the specified parameter window, which leads to the optimization of the curing process.
  • the resin is preferably made of a
  • Epoxy resin, a phenolic resin, or a polyester resin which can optionally be additionally mixed with a hardener before the resin is filled through the filling opening into the interior and the insulating tape soaks.
  • the interior is subjected to a high-viscosity liquid, which preferably consists of oil or an asphalt, with a pressure of at least 100 bar, preferably at least 300 bar, in order to effect a further curing at the same time increased heat input by appropriately adjusted parameters of the high voltage and to bring out a residual amount of resin from the interior.
  • a high-viscosity liquid which preferably consists of oil or an asphalt
  • This extreme pressure in conjunction with the energy input by a high-frequency AC voltage causes an improvement in the polymerization of the resin.
  • an improvement in the loss values can be observed with a lower resin content in the insulating tapes, so that the performance of a winding-type generator based on the conductor elements impregnated according to the present invention can be improved.
  • the conductor element is used as part of a stator winding and / or a rotor winding of a generator, wherein the generator is designed in the manner of a power plant generator.
  • a further development of the method according to the invention comprises a monitoring device with which the progress of the curing process and of the drying process for removing the moisture from the insulating tape can be monitored.
  • the degree of drying and / or curing is determined either by measuring the capacitance of the capacitor formed by the conductor element, the insulation and the electrode plates or by measuring the power consumption of the self-regulating high frequency generator.
  • the degree of drying and / or curing is determined either by measuring the capacitance of the capacitor formed by the conductor element, the insulation and the electrode plates or by measuring the power consumption of the self-regulating high frequency generator.
  • a temperature of 60 ° C to 250 ° C preferably from 100 ° C to 180 ° C and particularly preferably from 140 ° C is generated.
  • the temperature generated may also be adapted to the type of resin and to the desired density of the resin within the insulating tape.
  • the high-frequency curing takes place under permanent concern of increased resin pressure in the existing form of a pressing, impregnating and curing tool.
  • the high-frequency curing takes place with permanent application of an increased resin pressure of at least 100 bar, preferably at least 300 bar, in the existing form of a pressing, impregnating and curing tool.
  • an increased resin pressure of at least 100 bar, preferably at least 300 bar, in the existing form of a pressing, impregnating and curing tool.
  • Figure 1 is a schematic representation of the cross section of the structure of the conductor element, the insulation and the electrode plates;
  • Figure 2 shows an embodiment of the structure according to Figure 1 for a large conductor element
  • Figure 3 shows another embodiment of the structure according to the figure 1 with a small conductor element and a plurality of gap compensation elements
  • FIG. 4 shows a further view of the electrode plates in an end region, wherein finally an end cover is provided
  • Figure 5 shows an embodiment of a first end cover, in a
  • Figure 6 shows another embodiment of a second end cover with a sealable opening.
  • FIG. 1 the structure for implementing the method according to the invention from an insulation 1, a conductor element 2 and a first electrode plate 3 and a second electrode plate 4 is shown.
  • a high voltage can be applied between the electrode plates 3, 4, which preferably has 1 kV and a frequency of 0.5 MHz.
  • the insulation 1 consists of an insulating tape, which is impregnated with a resin.
  • the insulating tape is wound around the conductor element 2, which is indicated by a dashed structure of the insulation 1 is indicated.
  • the electrical contacting of the conductor element 2 takes place at the end end of the conductor element, wherein both the first electrode plate 3 and the second electrode plate 4 are contacted by the second voltage pole.
  • the electrode plates 3 and 4 may consist of a metallic conductor which form an electrical contact with each other.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment which shows a first electrode plate 3 with a U-shaped cross section, to which a plane electrode plate 4 is attached on the opening side.
  • the conductor element 2 which is enveloped by way of example with an insulation 1.
  • the size of the conductor element 2 and the insulation 1 is adapted to the interior of the U-shaped electrode plate 3, so that no gap is formed, in which excess resin can collect. Consequently, there is no gap between the insulation 1 and the electrode plates 3 and 4, so that the arrangement of the conductor element 2, the insulation 1 and the electrode plates 3 and 4 forms a capacitor.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the arrangement according to FIG. 1, but with the conductor element 2 having a smaller cross-section than in the exemplary embodiment according to FIG. 2.
  • a plurality of gap compensation elements 5 are shown.
  • the geometric configuration of the gap compensation elements 5 is dimensioned together with the conductor element 2 such that the interior formed by the electrode plates 3 and 4 is completely filled.
  • a remaining cavity for receiving the resin forms only the insulating tape, which is preferably designed as a mica tape. Pressure changes as well as filled fillers or an evaporating moisture is limited to the volume of the insulation 1, since this forms the remaining volume within the U-shaped electrode plate 3.
  • FIG. 1 shows a further embodiment of the arrangement according to FIG. 1, but with the conductor element 2 having a smaller cross-section than in the exemplary embodiment according to FIG. 2.
  • the electrode plate 3 has a terminating geometry 10 which can be attached by means of a screw 11 to an external holding device. Furthermore, the conductor element 2 with the insulation 1 is shown on the inside between the electrode plates 3 and 4.
  • FIG. 5 shows, by way of example, a first end cover 7, which is adapted to the cross-sectional geometry which results from the electrode plates 3 and 4 mounted in profile (see FIG. 2).
  • a voltage contact 6 is introduced, which is insulated by an insulator element 12 against the first end cover 7.
  • the conductor element can be connected to the high voltage source to supply the high voltage to the conductor element 2 and with the
  • Electrode plates 3 and 4 to form the arrangement of a capacitor are Electrode plates 3 and 4 to form the arrangement of a capacitor.
  • FIG. 6 shows a further exemplary embodiment of a second end cover 9, which has a sealable opening 13.
  • This second end cover 9 is designed so pressure-tight that in the interior within the
  • Electrode plates 3 and 4 a high pressure of over 300bar can be generated to initiate a highly viscous liquid in the interior space within the electrode plates according to the last method step under very high pressure and with an increased RF energy. The polymerization is thereby accelerated. An unnecessary heating or overheating of the electrode plates 3 and 4, as well as the conductor element 2 can thus be avoided either by monitoring the capacitance of the capacitor formed by the conductor element 2, the insulation 1 and the electrode plates 3, 4 or by self-regulation of the high-frequency generator.
  • the invention is not limited in its execution to the above-mentioned preferred embodiment. Rather, a number of variants is conceivable, which makes use of the illustrated solution even with fundamentally different embodiments.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Isolierung (1) eines Leiterelementes (2) einer elektrischen Maschine, wobei die Isolierung (1) ein Isolierband mit einem in diesem enthaltenen Füllstoff aufweist, welches um das Leiterelement (2) gewickelt wird, wobei angrenzend an die Außenseite der Isolierung (1) wenigstens eine Elektrodenplatte (3, 4) angeordnet wird, und eine Wärmemenge durch Anlegen einer Spannung zwischen dem Leiterelement (2) und der Elektrodenplatte (3, 4) in die Isolierung eingebracht wird, um auf den Füllstoff einzuwirken.

Description

Verfahren zur verbesserten Herstellung der Isolierung eines Leiterelementes für eine elektrische Maschine
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Isolierung eines Leiterelementes für eine elektrische Maschine, wobei die Isolierung ein Isolierband, gegebenenfalls mit einem in diesem enthaltenen Füllstoff, aufweist, welches um das Leiterelement gewickelt und mit einem aushärtbaren Harz getränkt wird.
Stand der Technik
Derartige Leiterelemente werden zur Bildung der elektrischen Wicklung großer elektrischer Maschinen und insbesondere zur Bildung der Statorwicklung von Kraftwerksgeneratoren eingesetzt, die zumeist aus starren Metallelementen bestehen. Diese Leiterelemente sind in ihrer Form vorgegeben und werden zur Bildung der gesamten Wicklung der elektrischen Maschine miteinander verbunden. Um eine elektrische Isolierung der Leiterelemente zueinander zu ermöglichen, ist eine Isolierung um die Leiterelemente herum ausgebildet, welche durch ihre spezifischen Ausbildungen einen wesentlichen Einfluss auf die Verlustwerte der elektrischen Maschine hat. Diese Verlustwerte sind nicht nur durch die Dicke der Isolierung bestimmt, sondern auch durch ihre Beschaffenheit. Die Isolierung wird zumeist aus einem Isolierband gebildet, das um die Leiterelemente herumgewickelt wird. Das Isolierband wird anschließend mit einem Harz getränkt, welches nachfolgend ausgehärtet werden muss. Die Verlustwerte der elektrischen Wicklung, die unmittelbar den Wirkungsgrad der elektrischen Maschinen beeinflussen, sind ferner abhängig von dem Anteil an Harz, welches innerhalb des Isolierbandes aufgenommen ist. Auch der Grad der Aushärtung und insbesondere der Grad der Polymerisation und die Dichte des Harzes im Isolierband, haben Einfluss auf die Verlustwerte.
Zur Herstellung der Isolierung für Leiterelemente existiert eine Vielzahl von Verfahren, die sich mit der so genannten Imprägnierung der aus dem Isolierband gebildeten Isolierung mit einem aushärtbaren Harz und dessen anschliessender Aushärtung beschäftigen. Durch eine Wärmeeinbringung wird derart auf die Isolierung eingewirkt, dass sowohl vorhandene Feuchtigkeit aus dem Isolierband verdampft als auch das Harz im Isolierband selbst aushärtet. Diese aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte sowohl zur Verdampfung der Feuchtigkeit als auch zur Aushärtung des Harzes werden gemäß der vorbekannten Verfahren auf aufwendige und energieintensive Weise vorgenommen.
Aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 978 929 A2 ist ein Verfahren zum Imprägnieren von Leiterelementen für die Statorwicklung einer elektrischen Maschine bekannt. Hierzu ist vorgesehen, dass die Leiterelemente auf der gesamten Länge mit einer druck- und fluiddichten Hülle versehen werden, so dass der umhüllte Leiterstab in einer Pressvorrichtung allseitig mit einem Druck beaufschlagt wird. In dem Zwischenraum zwischen der Hülle und dem Leiterelement wird ein Imprägnierfluid mit einem Druck eingefüllt, der kleiner ist, als der allseitig beaufschlagende Druck auf der Außenseite der Hülle. Das so auf der ganzen Länge mit Imprägnierharz beaufschlagte, von der Hülle umgebene Leiterelement wird nachfolgend einer Aushärtetemperatur ausgesetzt und zugleich mit einer Pressvorrichtung auf Form und Maß gepresst. Hierdurch ergibt sich eine sehr energieintensive Aushärtung des Harzes innerhalb des Isolierbandes, da die Pressvorrichtung auf konventionelle Weise beheizt werden muss. Folglich werden sowohl das Leiterelement als auch die aus einer Mehrzahl von verschiedenen Presselementen aufgebaute Pressvorrichtung auf die Aushärtetemperatur aufgeheizt. Dieser Vorgang ist sowohl energie- als auch zeitintensiv, wobei sich ferner häufig Probleme mit der erzielbaren Form- und Maßgenauigkeit ergeben. Des Weiteren ist der Ausbau aus der genannten Hülle erforderlich, welche nicht wiederverwendet werden kann.
Aus den genannten Nachteilen des Standes der Technik ergibt sich die Forderung nach einer Verbesserung des Herstellungsverfahrens der Isolierung für Leiterelemente, welche insbesondere durch einen geringeren Energie- und Zeitaufwand gekennzeichnet sind. Ferner entsteht die Forderung nach einem vereinfachten Aufbau, welcher es insbesondere erlaubt, die verschiedenen Verfahrensschritte sowohl der Trocknung des Isolierbandes als auch der Aushärtung des Harzes, mit dem das Isolierband getränkt wird, zu vereinfachen oder miteinander zu kombinieren.
Darstellung der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur verbesserten Herstellung einer Isolierung eines Leiterelementes für eine elektrische Maschine zu schaffen, welches die Nachteile des vorgenannten Standes der Technik vermeidet und einen geringeren Energie- und Zeitaufwand aufweist.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass angrenzend an die Außenseite der Isolierung wenigstens eine Elektrodenplatte angeordnet wird, und eine Wärmemenge durch Anlegen einer Spannung zwischen dem Leiterelement und der Elektrodenplatte in die Isolierung eingebracht wird, um auf das im Isolierband vorhandene Harz einzuwirken.
Die Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, die Bereitstellung der Energie zur Erzeugung der Aushärtetemperatur innerhalb der Isolierung mittels einer elektrischen Spannung bereitzustellen. Die Anordnung des Leiterelementes, der Isolierung und der Elektrodenplatten bilden einen Kondensator aus, wobei die Isolierung durch im Isolierband enthaltene Flüssigkeit oder das im Isolierband enthaltene Harz die Eigenschaften eines Dielektrikums aufweist. Im ersteren Falle kann es sich dabei um eingangs im Isolierband vorhandene Feuchtigkeit handeln, im zweiten um die in einem der späteren Verfahrensschritte eingegebene Menge an Harz, welches im
Isolierband selbst ausgehärtet wird. Wird folglich eine Spannung angelegt, welche in Form einer Hochspannung ausgebildet ist und zugleich eine Hochfrequenz aufweist, so kann eine innere Wärme in der Anordnung des Kondensators gebildet werden. Der Vorteil besteht darin, dass sich vorzugsweise das Dielektrikum selbst erwärmt, und sowohl die
Elektrodenplatten als auch das Leiterelement selbst nicht oder nur minimal erwärmt werden. Im Ergebnis kann eine hocheffiziente Energieeinbringung erzielt werden, bei der insbesondere der Nachteil der Gradientenbildung durch beheizte Werkzeuge vermieden wird. Wird nämlich die Isolierung durch beheizte Pressplatten erwärmt, so ist die Temperatureinwirkung auf die Isolierung angrenzend an die beheizten Elemente größer und nimmt mit zunehmendem Abstand von diesen ab. Diese Gradientenbildung wird bei der Erzeugung der Wärme durch die Hochspannung mit der Hochfrequenz nicht beobachtet, so dass von einer homogenen Wärmeentwicklung in der Isolierung ausgegangen werden kann. Folglich ergeben sich erhebliche Vorteile bei der Durchhärtung des Harzes innerhalb des Isolierbandes. Gemäß einer möglichen vorteilhaften Ausführungsform der Anordnung zur Umsetzung des Herstellungsverfahrens wird vorgeschlagen, dass das Leiterelement mit der Isolierung in eine erste Elektrodenplatte mit einer U-Form eingelegt und mit Spaltausgleichselementen zentrisch in dieser positioniert wird. Die Spaltausgleichselemente haben dabei die Aufgabe, die Menge des Harzes zum Imprägnieren der Isolierung herabzusetzen. Diese nehmen einen gewissen Raum innerhalb der U-Form ein, so dass der Innenraum der U-förmigen Elektrodenplatte an die Geometrie des Leiterelementes angepasst werden kann. Die Spaltausgleichselemente bestehen vorzugsweise aus einem
Nichtleiter, insbesondere Polytetrafluoräthylen (PTFE), oder aber aus einem Metall.
Weiterführend wird zum umseitigen Verschließen des Leiterelementes gegen die Öffnungsseite der U-förmigen Elektrodenplatte eine plane Elektrodenplatte positioniert, wobei anschließend mit Spannungskontakten ausgebildete Endabdeckungen an den sich in Erstreckungsrichtung des Leiterelementes befindenden Endbereichen angebracht werden. In Ergebnis entsteht eine Anordnung aus zwei Elektrodenplatten sowie zwei Endabdeckungen, welche einen umschlossenen Innenraum bilden. In diesem Innenraum befinden sich nunmehr das Leiterelement mit der Isolierung sowie an diese angrenzende Spaltausgleichselemente. Die Endabdeckungen können gegen die Elektrodenplatten mit Dichtelementen druckdicht abgedichtet werden, wobei auch zwischen der U-förmigen Elektrodenplatte und der planen Elektrodenplatte ein entsprechendes Dichtelement vorgesehen sein kann. Mittels der Spannungskontakte in den Endplatten kann das Leiterelement kontaktiert werden, um an dieses später die Hochspannung anzulegen. Folglich sind die Spannungskontakte in den Endplatten gegen diese mittels eines Isolatorelementes spannungsisolierend eingebracht. Gemäß der nunmehr gebildeten Anordnung befindet sich das Leiterelement innerhalb der Elektrodenplatten, wobei die Isolierung noch herstellungsbedingt eine Restfeuchtigkeit aufweist, die im nachfolgenden Verfahrensschritt aus der Isolierung entfernt werden muss.
Hierzu wird vorgeschlagen, dass die Feuchtigkeit innerhalb des Isolierbandes mittels der eingebrachten Wärmemenge unter gleichzeitiger Anwendung eines Vakuums in dem durch die Elektrodenplatten und die Endabdeckungen gebildeten Innenraum aus dem Isolierband verdampft wird. Dabei wird erfindungsgemäß die Wärmemenge durch Anlegen der Hochspannung zwischen dem Leiterelement und den Elektrodenplatten eingebracht, da auch die Restfeuchtigkeit innerhalb des Isolierbandes die Eigenschaften eines Dielektrikums aufweist. Die Feuchtigkeit innerhalb des Isolierbandes wird dadurch erwärmt und kann verdampfen. Die Verdampfung wird durch die Bildung des Unterdrucks begünstigt, da die Verdampfungstemperatur der Feuchtigkeit mit einem niedrigeren Druck ebenfalls sinkt. Durch die Überlagerung des Vakuums mit der Wärmeeinbringung wird der
Energieaufwand zur Verdampfung der Feuchtigkeit innerhalb des Isolierbandes weiter reduziert. Dieses Trocknungsverfahren kann in andere übliche Verfahren des Standes der Technik integriert werden, beispielsweise in das sogenannte TVPI-Verfahren (Tube-Vacuum-Pressure-Impregnation), bei welchem die mit einem Isolierband umwickelten Leiterelemente mit einer druck- und fluiddichten Hülle, welche aus Metall bestehen kann, versehen sind.
Um das nunmehr getrocknete Isolierband der Isolierung mit dem Harz zu tränken und dieses nachfolgend auszuhärten, wird in einem weiteren Verfahrensschritt durch eine Einfüllöffnung, die entweder in den
Elektrodenplatten oder in den Endabdeckungen vorgesehen ist, das Harz zur Tränkung des Isolierbandes eingefüllt und unter dauerndem Anliegen eines erhöhten Harzdruckes anschließend die Spannung zur Einbringung der Wärmemenge angelegt. In diesem Verfahrensschritt bildet das Harz das Dielektrikum zwischen dem Leiterelement und den Elektrodenplatten, wobei die Wärmeeinbringung nicht zum Verdampfen des Harzes führt, sondern zur Aushärtung bzw. zur Polymerisation. Dieses Aushärtungsverfahren ist in andere Verfahren aus dem Stand der Technik integrierbar, insbesondere in das TVPI- Verfahren. In diesem Verfahren werden die mit einem Isolierband umwickelten und mit einer druck- und fluiddichten Hülle, welche aus Metall bestehen kann, versehenen Leiterelemente nach dem Abtropfen des Restharzes entweder alternativ zum Aushärten bei einer Aushärtetemperatur oder zusätzlich zu dieser mit Hochfrequenzspannung behandelt.
Die Parameter der Hochspannung können für das Verdampfen der Feuchtigkeit und für das Aushärten des Harzes unterschiedlich gewählt werden und beispielsweise während des jeweiligen Prozesses variiert werden. Die Spannung wird in Form einer Hochspannung von 100V bis 4kV, bevorzugt von 700V bis 2kV und besonders bevorzugt von 1 kV zwischen dem Leiterelement und der Elektrodenplatte angelegt. Die Spannung wird in Form einer Wechselspannung gewählt mit einer Hochfrequenz von 5OkHz bis 40MHz, bevorzugt von wenigstens 0,3MHz bis 10MHz und besonders bevorzugt von 0,5MHz gewählt. Abhängig von der Konsistenz und der Art des Harzes kann innerhalb der angegebenen Parameterfenster eine Variation der Spannung und/oder der Hochfrequenz gewählt werden, welche zur Optimierung des Aushärtevorgangs führt. Das Harz besteht vorzugsweise aus einem
Epoxidharz, einem Phenolharz, oder einem Polyesterharz, welche wahlweise zusätzlich mit einem Härter vermengt werden können, bevor das Harz durch die Einfüllöffnung in den Innenraum eingefüllt wird und das Isolierband tränkt.
Um eine weitergehende Aushärtung mit verbesserten Eigenschaften des
Harzes für die Isolierung hinsichtlich der Isolationswerte der Leiterelemente zu schaffen, wird vorgeschlagen, nach dem Aushärten des Harzes die ersten Endabdeckungen gegen die zweiten Endabdeckungen mit abdichtbaren Öffnungen auszutauschen. Dabei wird der Innenraum mit einer hochviskosen Flüssigkeit, welche vorzugsweise aus Öl oder einem Asphalt besteht, mit einem Druck von wenigstens 100bar, vorzugsweise wenigstens 300bar beaufschlagt, um bei gleichzeitig erhöhter Wärmeeinbringung durch entsprechend angepasste Parameter der Hochspannung eine weitergehende Aushärtung zu bewirken und ein Herausführen einer Restharzmenge aus dem Innenraum zu erreichen. Dieser Extremdruck in Zusammenwirkung mit der Energieeinbringung durch eine hochfrequente Wechselspannung bedingt eine Verbesserung der Auspolymerisierung des Harzes. Ferner befindet sich kein Restharz im Innenraum zwischen den Elektrodenplatten. Außerdem kann eine Verbesserung der Verlustwerte bei einem geringeren Harzgehalt in den Isolierbändern beobachtet werden, so dass die Leistung eines Generators mit einer Wicklung, basierend auf erfindungsgemäß imprägnierten Leiterelementen, verbessert werden kann.
Vorzugsweise wird das Leiterelement als Bestandteil einer Statorwicklung und/oder einer Rotorwicklung eines Generators eingesetzt, wobei der Generator nach Art eines Kraftwerkgenerators ausgebildet ist.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst eine Überwachungseinrichtung, mit welcher der Fortgang des Aushärtevorgangs sowie des Trocknungsvorgangs zum Entziehen der Feuchtigkeit aus dem Isolierband überwacht werden kann. Zur Überwachung wird die Hochspannung abgeschaltet, wobei der Grad der Trocknung und/oder Aushärtung entweder mittels einer Messung der Kapazität des durch das Leiterelement, die Isolierung und die Elektrodenplatten gebildeten Kondensators oder mittels der Messung des Energieverbrauchs des selbstregelnden Hochfrequenzgenerators bestimmt wird. Damit ist eine mit einfachen Mitteln umsetzbare Überwachung des Aushärtevorgangs möglich, wobei durch einen Vergleich mit zuvor bestimmten Kapazitätswerten des Kondensators zuverlässige Rückschlüsse auf den Aushärtevorgang bzw. den Grad der Dichte des Harzes innerhalb des Isolierbandes bestimmbar sind.
Gemäß einer vorteilhaften Führung der Temperatur innerhalb der Isolierung wird vorgeschlagen, dass durch die Wärmeeinbringung mittels der angelegten Spannung in der Isolierung eine Temperatur von 60 °C bis 250 °C, vorzugsweise von 100°C bis 180°C und besonders bevorzugt von 140°C erzeugt wird. Die erzeugte Temperatur kann ferner an die Art des Harzes sowie an die gewünschte Dichte des Harzes innerhalb des Isolierbandes angepasst sein.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens findet die Hochfrequenz-Aushärtung unter permanentem Anliegen eines erhöhten Harzdruckes in der vorhandenen Form eines Press-, Imprägnier- und Aushärtewerkzeugs statt. Weitere Verfahren aus dem Stand der Technik, insbesondere das TVPI-Verfahren, können somit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kombiniert werden.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens findet die Hochfrequenz-Aushärtung unter permanentem Anliegen eines erhöhten Harzdruckes von mindestens 100bar, vorzugsweise mindestens 300bar, in der vorhandenen Form eines Press-, Imprägnier- und Aushärtewerkzeugs statt. Weitere Verfahren aus dem Stand der Technik, insbesondere das TVPI-Verfahren können somit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kombiniert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung einer schematischen Darstellung und mit einer bevorzugten beispielhaften Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung des Querschnittes des Aufbaus aus dem Leiterelement, der Isolierung sowie den Elektrodenplatten;
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel des Aufbaus gemäß Figur 1 für ein großes Leiterelement;
Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Aufbaus gemäß der Figur 1 mit einem kleinen Leiterelement sowie mehreren Spaltausgleichselementen;
Figur 4 eine weitere Ansicht der Elektrodenplatten in einem Endbereich, wobei abschließend eine Endabdeckung vorgesehen ist;
Figur 5 ein Ausführungsbeispiel einer ersten Endabdeckung, in die ein
Spannungskontakt eingebracht ist und
Figur 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer zweiten Endabdeckung mit einer abdichtbaren Öffnung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
In Figur 1 ist der Aufbau zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus einer Isolierung 1 , einem Leiterelement 2 sowie einer ersten Elektrodenplatte 3 und einer zweiten Elektrodenplatte 4 dargestellt. Erfindungsgemäß kann zwischen den Elektrodenplatten 3, 4 eine Hochspannung angelegt werden, welche vorzugsweise 1 kV sowie eine Frequenz von 0,5MHz aufweist. Die Isolierung 1 besteht aus einem Isolierband, welches mit einem Harz getränkt ist. Das Isolierband wird um das Leiterelement 2 herumgewickelt, was durch eine gestrichelte Struktur der Isolierung 1 angedeutet ist. Die elektrische Kontaktierung des Leiterelementes 2 erfolgt endseitig am Ende des Leiterelementes, wobei sowohl die erste Elektrodenplatte 3 als auch die zweite Elektrodenplatte 4 durch den zweiten Spannungspol kontaktiert sind. Die Elektrodenplatten 3 und 4 können aus einem metallischen Leiter bestehen, welche zueinander einen elektrischen Kontakt bilden.
In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, welches eine erste Elektrodenplatte 3 mit einem U-förmigen Querschnitt zeigt, an das öffnungsseitig eine plane Elektrodenplatte 4 angebracht ist. Innerhalb der U- förmigen Öffnung befindet sich das Leiterelement 2, welches beispielhaft mit einer Isolierung 1 umhüllt ist. Die Größe des Leiterelementes 2 sowie der Isolierung 1 ist an den Innenraum der U-förmigen Elektrodenplatte 3 angepasst, so dass kein Spalt entsteht, in dem sich überschüssiges Harz sammeln kann. Folglich besteht kein Spalt zwischen der Isolierung 1 und den Elektrodenplatten 3 und 4, so dass die Anordnung des Leiterelementes 2, der Isolierung 1 sowie aus den Elektrodenplatten 3 und 4 einen Kondensator bildet.
In Figur 3 ist eine weitere Ausführungsform der Anordnung gemäß der Figur 1 dargestellt, wobei jedoch das Leiterelement 2 einen geringeren Querschnitt aufweist als in dem Ausführungsbeispiel gemäss Figur 2. Zum Ausgleich des Spaltes zwischen dem Leiterelement 2 bzw. der dieses umgebenden Isolierung 1 und der U-förmigen Elektrodenplatte 3 sind mehrere Spaltausgleichselemente 5 dargestellt. Die geometrische Ausbildung der Spaltausgleichselemente 5 ist gemeinsam mit dem Leiterelement 2 derart bemessen, dass der durch die Elektrodenplatten 3 und 4 gebildete Innenraum vollständig ausgefüllt wird. Einen verbleibenden Hohlraum zur Aufnahme des Harzes bildet lediglich das Isolierband, welches vorzugsweise als glimmerhaltiges Band ausgeführt ist. Druckänderungen sowie eingefüllte Füllstoffe oder eine verdampfende Feuchtigkeit wird auf das Volumen der Isolierung 1 begrenzt, da dieses das verbleibende Volumen innerhalb der U-förmigen Elektrodenplatte 3 bildet. Figur 4 zeigt beispielhaft den Endbereich der Elektrodenplatten 3 und 4, wobei die Elektrodenplatte 3 eine Abschlussgeometrie 10 aufweist, die mittels einer Verschraubung 11 an eine externe Haltevorrichtung anbringbar ist. Ferner ist innenseitig zwischen den Elektrodenplatten 3 und 4 das Leiterelement 2 mit der Isolierung 1 gezeigt.
Figur 5 zeigt beispielhaft eine erste Endabdeckung 7, welche an die Querschnittsgeometrie angepasst ist, die sich durch die miteinander montierten Elektrodenplatten 3 und 4 im Profil (siehe Figur 2) ergibt. In dem Bereich, in dem das Leiterelement 2 an die erste Endabdeckung 7 angrenzt, ist ein Spannungskontakt 6 eingebracht, welcher durch ein Isolatorelement 12 gegen die erste Endabdeckung 7 isoliert ist. Mittels dieses Spannungskontaktes 6 kann das Leiterelement mit der Hochspannungsquelle verbunden werden, um die Hochspannung an das Leiterelement 2 zu führen und mit den
Elektrodenplatten 3 und 4 die Anordnung eines Kondensators zu bilden.
Figur 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer zweiten Endabdeckung 9, welche eine abdichtbare Öffnung 13 aufweist. Diese zweite Endabdeckung 9 ist derart druckdicht ausgeführt, dass im Innenraum innerhalb der
Elektrodenplatten 3 und 4 ein Hochdruck von über 300bar erzeugt werden kann, um gemäß dem letzten Verfahrensschritt unter sehr hohem Druck und Beaufschlagung mit einer erhöhten HF-Energie eine hochviskose Flüssigkeit in den Innenraum innerhalb der Elektrodenplatten einzuleiten. Die Auspolymerisierung wird dadurch beschleunigt. Eine unnötige Erwärmung oder Überhitzung der Elektrodenplatten 3 und 4 , sowie des Leiterelementes 2 kann somit entweder durch Überwachung der Kapazität des durch das Leiterelement 2, die Isolierung 1 und die Elektrodenplatten 3, 4 gebildeten Kondensators oder durch Selbstregelung des Hochfrequenzgenerators vermieden werden. Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungsformen Gebrauch macht.
Bezuqszeichenliste
1 Isolierung
2 Leiterelement
3 Elektrodenplatte
4 Elektrodenplatte
5 Spaltausgleichselementen
6 Spannungskontakt
7 Erste Endabdeckung
8 Einfüllöffnung
9 Zweite Endabdeckung
10 Abschlussgeometrie
11 Verschraubung
12 Isolatorelement
13 Öffnung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Isolierung (1 ) eines Leiterelementes (2) für eine elektrische Maschine, wobei die Isolierung (1 ) mindestens ein
Isolierband mit einem in diesem enthaltenen aushärtbaren Harz aufweist, welches um das Leiterelement (2) gewickelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass angrenzend an die Außenseite der Isolierung (1 ) wenigstens eine Elektrodenplatte (3, 4) angeordnet wird, und eine Wärmemenge durch Anlegen einer Spannung zwischen dem Leiterelement (2) und der Elektrodenplatte (3, 4) in die Isolierung eingebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass durch das Leiterelement (2), die Isolierung (1 ) und die Elektrodenplatten (3, 4) die Anordnung eines Kondensators gebildet wird, wobei die Isolierung (1 ) durch das in dem Isolierband enthaltene aushärtbare Harz die Eigenschaften eines Dielektrikums aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Leiterelement (2) mit der Isolierung (1 ) in eine erste Elektrodenplatte (3) mit einer U-Form eingelegt und mit Spaltausgleichselementen (5) zentrisch in dieser positioniert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltausgleichselemente (5) den Konturen der Elektrodenplatten (3, 4) und des mit dem Isolierband umwickelten Leiterelements (2) derart angepasst sind, dass sie den freien Zwischenraum zwischen denselben vollständig ausfüllen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum umseitigen Verschließen des Leiterelementes (2) gegen die Öffnungsseite der U-förmigen Elektrodenplatte (3) eine plane Elektrodenplatte (4) positioniert wird, wobei anschließend mit Spannungskontakten (6) ausgebildete erste Endabdeckungen (7) an den sich in Erstreckungsrichtung des Leiterelementes (2) befindenden Endbereichen angebracht werden.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine im Isolierband enthaltene Feuchtigkeit mittels der eingebrachten Wärmemenge unter gleichzeitiger Anwendung eines Vakuums im durch die Elektrodenplatten (3, 4) und die erste Endabdeckungen (7, 9) gebildeten Innenraum aus dem Isolierband verdampft wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Elektrodenplatten (3, 4) und/oder in den Endabdeckungen (7, 9) eine Einfüllöffnung (8) vorgesehen ist, durch die nach der Trocknung der Isolierung (1 ) ein Füllstoff in Form eines Harzes zur Tränkung des Isolierbandes eingefüllt und anschließend die Spannung zur Einbringung der Wärmemenge angelegt wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung in Form einer Hochspannung von 100V bis 4kV, bevorzugt von 700V bis 2kV und besonders bevorzugt von 1 kV zwischen dem Leiterelement (2) und der Elektrodenplatte (3) angelegt wird, wobei die Spannung in Form einer Wechselspannung mit einer Hochfrequenz von 5OkHz bis 40MHz, bevorzugt von wenigstens 0,3MHz bis 10MHz und besonders bevorzugt von 0,5MHz eingestellt wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Harz ein Epoxidharz, ein Phenolharz oder ein Polyesterharz angewendet wird, wobei mit der Wärmeeinbringung eine Aushärtung des Harzes erreicht wird.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aushärten des Harzes die ersten Endabdeckungen (7) gegen die zweiten Endabdeckungen (9) mit abdichtbaren Öffnungen ausgetauscht werden, und der Innenraum mit einer hochviskosen Flüssigkeit, aufweisend ein Öl oder ein Asphalt, mit einem Druck von wenigstens 10Obar, vorzugsweise wenigstens 300bar, beaufschlagt wird, um bei gleichzeitig erhöhter Wärmeeinbringung durch die Hochspannung eine weitergehende Aushärtung zu bewirken und ein Herausführen einer Restharzmenge aus dem Innenraum zu erreichen.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leiterelement (2) als Bestandteil einer Statorwicklung und/oder einer Rotorwicklung eines Generators eingesetzt wird, wobei der Generator nach Art eines Kraftwerkgenerators ausgebildet ist.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überwachungseinrichtung vorgesehen ist, wobei zur Überwachung der Grad der Trocknung und/oder Aushärtung entweder bei ausgeschalteter Hochspannung mittels einer Messung der Kapazität des durch das Leiterelement (2), die Isolierung (1 ) und die Elektrodenplatten (3, 4) gebildeten Kondensators oder mittels des
Energieverbrauches des selbstregelnden Hochfrequenzgenerators bestimmt wird.
13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Wärmeeinbringung mittels der angelegten Spannung in der Isolierung (1 ) eine Temperatur von 60 °C bis 250 °C, vorzugsweise von 100°C bis 180°C und besonders bevorzugt von 140 °C erzeugt wird, um eine Polymerisation des Harzes zu erreichen.
14. Verwendung einer vorhandenen Form eines Press-, Imprägnier- und Aushärtewerkzeugs für ein Verfahren nach einem der Ansprüchen 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenz-Aushärtung unter permanentem Anliegen eines erhöhten Harzdruckes erfolgt.
15. Verwendung nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass der permanent anliegende Harzdruck wenigstens 10Obar, vorzugsweise wenigstens 300bar beträgt.
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