Herstellung der Wicklungen elektrischer Maschinen

389 Pages·1973·42.018 MB·German

by  Heinrich Sequenz

Herstelludnegr
Wicklungen
HersteHlluernsgte llung
HerstelHluenrgs tellung
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Herstellung der Wicklungen
elektrischer Maschinen
Herausgegeben von
H. Sequenz
Bearbeitet von
M. Brüderlink, E. Feiten, O. Haus, R. Knobloch, D. Lambrecht,
F. Maier, W. Mertens, G. Neidhöfer, W. Oburger, H. Sequenz,
A. Wichmann
Springer-Verlag Wien GmbH
HEINRICH SEQUENZ
Dr. techno Dr.-Ing. Dr. phil. Dr.-Ing. E. h.
Emer. O. Professor an der Technischen Hochschule in Wien
Das Werk ist urheberrechtlich geschützt.
Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdruckes, der Entnahme
von Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ähnlichem Wege
und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung,
vorbehalten.
(Cl 1973 by Springer-Verlag Wien
Ursprünglich erschienen bei Springer'Verlag Wien - New York 1973
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1973
Library of Congress Catalog Card Number 73-75909
Mit 291 Abbildungen
ISBN 978-3-7091-4383-4 ISBN 978-3-7091-4382-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-7091-4382-7
Vorwort
Dieses Buch über die Herstellung der Wicklungen elektrischer Maschinen war
ursprünglich als letzter, vierter Band meines Werkes über die Wicklungen elek
trischer Maschinen gedacht. Der erste Band über die Wechselstrom-Ankerwick
lungen erschien 1950, der zweite Band über die Wenderwicklungen zwei Jahre
später, und der dritte Band über die Wechselstrom-Sonderwicklungen im Jahre
1954.
Nun sind seit dem Erscheinen dieser Bände zwei Jahrzehnte vergangen. Aus
diesem Grunde mußte das Buch über die Herstellung der Wicklungen als eigen-
ständiges Werk geplant werden. .
Immer wieder habe ich in diesen vergangenen Jahren mit der Arbeit an einem
vierten Band begonnen, der die Herstellung der Wicklungen beschreiben sollte;
habe Unterlagen gesammelt, Erfahrungen bei den Fertigungsstätten im In- und
Auslande zusammengetragen; aber im:r;ner wieder kamen alle Bemühungen ins
Stocken, so als fühlte ich, daß die Zeit für das Erscheinen eines solchen Buches
noch nicht reif wäre. Zu stark war alles im Fluß, was die technologische Herstel
lung der Wicklungen betraf.
Dies galt vor allem von der raschen Entwicklung der Isolierstofftechnik.
HARTMuT MEYER gibt in seinem Buche über "Die Isolierung großer elektrischer
Maschinen" (Berlin-Göttingen-Heidelberg: Springer-Verlag, 1962) einen guten
überblick über die geschichtliche Entwicklung der Maschinenisolierung, an
gefangen von der Erfindung des Micanits und Mikafoliums um die Jahrhundert
wende bis zu den synthetischen Kunstharzen. Die Vielfalt der stets neu sich an
bietenden Isolierstoffe war oft geradezu verwirrend.
Hand in Hand mit den immer wieder neu aufscheinenden Isolierstoffen gingen
natürlich die Untersuchungen über das Alterungsverhalten der Isolierungen, die
Isolationsprüfungen und die Überwachung im Betrieb. Wie fleißig gerade auf
diesem Gebiete gearbeitet und geforscht wurde, zeigt schon ein Blick auf das
Verzeichnis des Schrifttums zum Abschnitt von A. WICHMANN über Prüfung und
überwachung der Wicklungsisolation. Ihm selbst sind viele wertvolle Beiträge
zu diesem Fragenkreis zu verdanken.
Eine andere Entwicklung, die erst in den fünfziger Jahren einsetzte und durch
den zunehmenden Bedarf an Drehstrom- und Einphasen-Induktionsmotoren
sowie an Universalmotoren immer mehr an Bedeutung gewann, war die Verwen
dung von Wickelmaschinen, vor allem von Ständerwickelmaschinen. Ende
Februar und Anfang März des Jahres 1968 wurde sogar ein internationales Sym
posium "Statorwickeltechnik" in Dresden-Niedersedlitz veranstaltet, an dem
sich 163 Gäste aus der Bundesrepublik Deutschland und der DDR, aus Frankreich,
Italien, der Schweiz, aus der UdSSR, der CSSR, aus Polen, Ungarn, Bulgarien und
VI Vorwort
Jugoslawien beteiligten (W. JORDAN: Das 1. Internationale Symposium "Stator
wickeltechnik" ; EMA 47 (1968), H. 11, S. 323·· ·334 und H. 12, S. 355·· ·369).
Schließlich erzwangen die stets größer werdenden Leistungen sowohl bei den
Turbogeneratoren als auch bei den Wasserkraftgeneratoren höhere Anforderungen
an die Kühlung von Ständer und Läufer. Die Entwicklung ging von der Luft
kühlung über die Wasserstoffkühlung zur Kühlung mit Wasser. Ein weiterer
Fortschritt war die unmittelbare Leiterkühlung. Auch hier mußte wohl abgewartet
werden, bis ausgereifte Konstruktionen vorlagen.
Nun aber ist nach diesen manchmal stürmischen Entwicklungen wie nach
einem windreichen Tage ein stillerer Abend geworden. Und dies endlich ist die
Zeit, an eine Darstellung des heutigen Standes der Wicklungsfertigung heran
zugl:lhen. Doch mußte ich erkennen, daß diese Aufgabe das Wissen eines einzelnen
übersteigt. Hier mußten die Sonderfachleute zu Worte kommen.
Es ehrt mich, daß folgende Fachgenossen meinem Rufe zu einer Mitarbeit an
diesem Buche gefolgt sind und die Bearbeitung von Abschnitten übernommen
haben: Dr. M. BRÜDERLINK, Dr. F. MAlER und Dr. G. NEIDHöFER von der AG
Brown Boveri & eie in Baden (Schweiz), Dr. E. FEITEN, Dipl.-Ing. O. HAus,
Ing. R. KNOBLOCH und Dr. W. MERTENS vom Dynamowerk der Siemens AG in
Berlin, Obering. D. LAMBREcHT und Dr. A. WICHMANN von der Kraftwerk Union
AG in Mülheim (Ruhr) und Dr. W. OBURGER in Wien. Diese Fachleute haben
neben ihrer Berufsarbeit sich die Zeit und die große Mühe genommen, ihr Wissen
und ihre wertvollen Erfahrungen in den verschiedenen Teilen und Abschnitten
dieses Buches niederzulegen, die lehrreichen Bilder zusammenzusuchen, die
Fahnen und Umbrüche zu verbessern und schließlich noch den Briefwechsel mit
mir und dem Verlage zu führen. Wie soll ich ihnen danken? Hoffentlich kann der
Erfolg des Buches den Dank abstatten!
Nicht unbedankt soll auch mein Mitarbeiter Dr. HERBERT FÜHRER sein, der
mit mir den Umbruch des Buches genau prüfte.
Möge die so gedeihliche und freundschaftliche Zusammenarbeit so vieler Fach
genossen aus Deutschland, der Schweiz und aus Österreich in der Fachwelt Bei
fall und Anerkennung finden.
Da dieses Buch sicherlich meine letzte größere Veröffentlichung über die Wick
lungen elektrischer Maschinen ist, so sei mir erlaubt, jener Fachgenossen zu ge
denken, die mich bei meinen Arbeiten auf diesem Gebiete, die nun fast ein halbes
Jahrhundert dauern, durch Belehrungen und Anregungen unterstützt haben und
von denen mir einige ihre Freundschaft schenkten. Das sind vor allen die Alt
meister der Wicklungstechnik E. ARNOLD und R. RICHTER, ferner R. DAHLAN
DER, K. FAYE-HANSEN, J. HAPL, F. HEILES, W. KAUDERS, E. W. KREBS,
J. KUÖERA, K. KUNOTH, M. LIWSCHITZ-GARIK, H. DE PrSTOYE, W. H. POWELL,
F. PUNGA, F. RASKOP, H. SCHACK-NIELSEN, T. SCHMITZ, TADASHI SEIKE, TAGE
STRÖMBERG, J. TrTTEL, W. A. TOLWINSKI, H. TRAssL und H. WEINERT.
Wien, im Spätwinter 1973 HEINRICH SEQUENZ
Inhaltsverzeichnis
Baustoffe der Wicklungen elektrischer Maschinen. . 1
1. Leiterwerkstoffe. Kupfer, Aluminium und Legierungen
Von R. KNoBLocH . . . . . . . . . . . 1
1.1 Einteilung der Leiterwerkstoffe 1
1.1.1 Übliche Werkstoffe. 1
1.1.1.1 Kupfer. . . 1
1.1.1.2 Aluminium . 3
1.1.1.3 Legierungen 3
1.1.2 Einschlägige Normen. 4
1.1.3 Einteilung der Werkstoffe nach Leitfähigkeit 5
1.2 Physikalische und technologische Eigenschaften 7
1.2.1 Dauerfestigkeit und Zeitstandverhalten 18
1.2.1.1 Dauerschwingfestigkeit. 19
1.2.1.2 Dauerstandfestigkeit ..... 20
1.2.1.3 Zeitstandfestigkeit . . . . . . . 21
1.2.2 Kaltverfestigung durch mechanische Verformung 23
1.2.3 Wärmebehandlung . 24
1.2.4 Rekristallisation . 25
1.2.5 Warmfestigkeit . 27
1.2.6 Korrosion. . . . 29
1.3 Stoffliche Verbindungen 30
1.3.1 Weichlöten . . . 30
1.3.2 Hartlöten . . . . 30
1.3.3 Schmelzschweißen 31
1.3.4 Normen für Löt· und Schweißzusatzwerkstoffe 31
Schrifttum ............... . 32
2. Isolierstoffe und Isolierstoffklassen. Isolierte Drähte
Von W. ÜBURGER •..•.......... 33
2.1 Isolierstoffe und Isolierstoffklassen. 33
2.1.1 Aufgaben der Isolierstoffe. . . . . . 33
2.1.2 Aufbau der Isolierstoffe ..... . 34
2.1.3 Elektrische Eigenschaften der Isolierstoffe 35
2.1.3.1 Durchschlagfestigkeit . . . . . . 35
2.1.3.2 Dielektrizitätskonstante . . . . . 37
2.1.3.3 Verlustfaktor und dielektrische Verluste 37
2.1.3.4 Elektrische Widerstände . . 38
2.1.4 Chemische Eigenschaften . . . . . 38
2.1.5 Widerstand gegen Energiestrahlung 39
2.1.6 Thermische Eigenschaften. . . . . 40
2.1.7 Die Lebensdauer elektrischer Isolationen 41
2.1.7.1 Die Wärmebeständigkeitsklassen 41
2.1.7.2 Die Temperaturindizes ..... 46
VIII Inhaltsverzeichnis
2.1.8 Zusammensetzung und Arten der Isolierstoffe 48
2.1.8.1 Schellack, Bitumen, Pflanzenöle 48
2.1.8.2 Glimmer und Glimmerpapiere 49
2.1.8.3 Asbest. . . . . . . . . 49
2.1.8.4 Papiere, Preßspan. . . . . . 50
2.1.8.5 Baumwolle, Seide, Leinen 50
2.1.8.6 Glasfasern, Glastextilien, Glasvliese 50
2.1.9 Kunststoffe . . . . . . . 51
2.1.9.1 Zellulosekunststoffe . . . 52
2.1.9.2 Phenoplaste . . . . . . 52
2.1.9.3 Glyptal- und Alkydharze . 52
2.1.9.4 Ungesättigte Polyesterharze und Epoxydharze 53
2.1.9.5 Polyurethane. . . . . . . . 54
2.1.9.6 Polyvinylchlorid, Polyäthylen. . . . . 54
2.1.9.7 Polyvinylazetale. . . . . . . . . . . 54
2.1.9.8 Polyäthylenterephthalat, Polycarbonate 55
2.1.9.9 Silicone . . . . . 55
2.1.9.10 Fluorpolymerisate . . . . . . . . . 56
2.1.9.11 Polyamide. . . . . . . . . . . . . 57
2.1.9.12 Polyimide und andere heterocyclische aromatische Polymere. 57
2.1.9.13 Zukünftige Kunststoffe . . . 58
2.1.10 Isolierstoffe für elektrische Maschinen. . . . . . . . 59
2.1.10.1 Isolierlacke . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.1.10.2 Imprägnierte Faserstoffe und Kombinationen 60
2.1.10.3 Schichtpreßstoffe .......... 61
2.1.10.4 Glimmer· und Glimmerpapierisolierstoffe 62
2.2 Isolierte Drähte 63
Schrifttum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3. Kunststäbe (Roebelstäbe). Theorie und Aufbau
Von G. N EIDHÖFER . . . . . . . . 69
3.1 Übersicht ............. . 69
3.2 Der klassische Roebelstab .... . 70
3.3 Roebelstäbe mit erweitertem Feldausgleich 72
3.3.1 Sonderverdrillungen in Nut und Wickelkopf . 73
3.3.2 Verschränkung an den Stabenden . . . 78
3.4 Mehrfach-Roebelstäbe .......... . 78
3.5 Wirbelstromverluste in Roebelstäben .. . 81
3.5.1 Stromverdrängungsverluste infolge Querfelder 81
3.5.2 Radialfeldverluste 83
Schrifttum .................. . 83
4. Tränkmittel
Von W. MERTENs 85
4.1 Einleitung . 85
4.2 Tränkmittelsysteme 86
4.2.1 Tränkmittel für Wicklungen und Isolierungen 86
4.2.1.1 Tränklacke ........ . 86
4.2.1.2 Tränkmassen . . . . . . . . . . . 88
4.2.1.3 Lösungsmittelfreie Tränkharze . . . 88
4.2.1.3.1 Harzsysteme für die Tauchimprägnierung 89
4.2.1.3.2 Harzsysteme für die Träufeltechnik . . . 89
4.2.1.3.3 Harzsysteme für die Vakuumimprägnierung 90
4.2.2 Harze für Verbund-Wickelstoffe . _ .......... . 91
Inhaltsverzeichnis IX
4.3 Prüfung von Tränkmitteln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.4 Einfluß der Elektroindustrie auf die Entwicklung von Tränkmittel-
systemen . 93
Schrifttum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Ständerwicklungen für Synchron- und Induktionsmaschinen. 95
1. Spulenwicklungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
1.1 Niederspannungsmaschinen (unter 6 kV)
Von M. BRÜDERLINK. . . . . . . . . . . 95
1.1.1 Allgemeine Übersicht. . . . . . . . . . . 95
1.1.1.1 Einteilung der Wicklungsarten . . . 95
1.1.1.1.1 Fädel-oder Durchziehwicklungen 96
1.1.1.1.2 Wicklungen mit U-Spulen in geschlossenen Nuten. 96
1.1.1.1.3 Wicklung mit Z-Spulen . . . . . . . . 97
1.1.1.2 Wahl der Wicklungsart. . . . . . . . . . . . . 98
1.1.2 Wicklungen mit Runddraht (Runddraht-Träufelwicklung) . 100
1.1.2.1 Spulenherstellung . . . . . . . . . . . . . . . 100
1.1.2.2 Wicklungsmontage . . . . . . . . . . . . . . 100
1.1.2.3 Maschinell eingelegte Wicklungen und Wickelmaschinen 103
1.1.3 Wicklungen mit Profildrähten (Formspulen) . 107
1.1.3.1 Allgemeines 107
1.1.3.2 Leiteraufbau . 109
1.1.3.3 Formgebung . 110
1.1.3.4 Hauptisolation 114
1.1.3.5 Spuleneinbau . 116
1.1.3.5.1 Montage der Profildrahtträufelwicklung 116
1.1.3.5.2 Montage der Profildrahtwicklungen in offenen Nuten 118
Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 120
1.2 Hochspannungsmaschinen (6 kV)
Von O. HAUS. . . . . . . . . . . . 121
1.2.1 Leiterwerkstoff und Leiterisolierung 121
1.2.2 Spulenformung . . . . . . . 122
1.2.3 Aufbringen der Hauptisolierung 125
1.2.4 Spuleneinbau . . . . . . . . 129
1.2.5 Wickelkopfversteifung . . . . 131
1.2.6 Schaltverbindungen und Verbindungstechnik 134
1.2.7 Einbau von Temperaturfühlern . . . 139
1.2.8 Wiederinstandsetzung von Wicklungen 140
Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . 140
2. Stabwicklungen
Von A. WICHMANN 141
2.1 Herstellen der Leiter . . . . . . . 141
2.1.1 Gitterstäbe mit indirekter Kühlung 141
2.1.2 Mehrleiterstäbe . . . . . . . 142
2.1.3 Stäbe mit direkter Gaskühlung . 144
2.1.4 Leiter mit Flüssigkeitskühlung . 145
2.1.5 Prüfungen ........ . 146
2.2 Isolieren der Stäbe ...... . 147
2.2.1 Diskontinuierliche Isolierung . 148
2.2.1.1 Aufbringen der Nutisolierung . 148
2.2.1.2 Isolieren der Stirnseiten . . . 149
2.2.2 Durchgehende Glimmerband-Isolierungen . 149
2.2.3 Vakuumgetränkte Glimmerbandisolierungen . 150
2.2.3.1 Bewickeln der Stäbe. . . . . . . . 150
x Inhaltsverzeichnis
2.2.3.2 Trocknen, Tränken, Formen und Härten . 151
2.2.3.3 Formtränkung . . 153
2.2.3.4 Ganztränkung. . . 153
2.2.4 Isolieren der Ringleitungen 154
2.2.5 Prüfungen. . . . 154
2.3 Glimmschutz ..... 155
2.3.1 Innenglimmschutz . 155
2.3.2 Außenglimmschutz . 156
2.3.3 Endenglimmschutz . 156
2.3.4 Prüfungen des Glimmschutzes . 158
2.4 Wicklungseinbau ....... . 159
2.4.1 Festlegung der Stäbe in der Nut . 159
2.4.2 Befestigung der Stirnseiten . . . 160
2.4.3 Herstellen und Isolieren der Schaltverbindungen . 164
2.4.4 Prüfungen beim Wicklungseinbau 166
Schrifttum ................... . 166
Läuferwicklungen für Turbogeneratoren und Induktionsmaschinen 169
I. Läuferwicklungen für Turbogeneratoren
Von D. LAMBREcHT ...................... . 169
1.1 Werkstoffe, Ausführungsformen und Kühlung der Wicklung. 169
1.1.1 Leiterwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . 169
1.1.2 Ausführungsformen der Wicklung . . . . . 169
1.1.3 Ausführungsformen und Kühlung der Spulen 172
1.1.3.1 Kühlungsarten . . . . . . 172
1.1.3.2 Kühlmittel (Richtwerte) . . 173
1.2 Herstellung der Spulen und Leiter 176
1.2.1 Leiterherstellung . . . . . . . . 176
1.2.2 Ein- und Austrittsöffnungen in den Leitern für das Kühlmittel. 177
1.2.3 Spulenherstellung . . . . . . . 179
1.3 Isolierung der Spulen und Leiter 182
1.3.1 Nutisolierung . . . 182
1.3.2 Wickelkopfisolierung . 184
1.3.3 Windungsisolierung . . 185
1.4 Wicklungseinbau . . . . 186
1.4.1 Einlegen und Isolieren der Wicklung 186
1.4.2 Schaltverbindungen und Verbindungstechnik 188
1.4.3 Pressen und Befestigung der Wicklung 192
1.4.4 Prüfen der Wicklung . 193
1.5 Dämpferwicklung . . . . . . . . . 195
1.6 Wicklungsbefestigung . . . . . . . 196
1.6.1 Spulendistanzierung im Wickelkopf 196
1.6.2 Wicklungsbefestigung gegen Fliehkräfte . 198
1.7 Stromzuführung 198
Schrifttum ............. 199
2. Läuferwicklungen für Induktionsmaschinen 200
2.1 Schleifringläuferwicklungen
Von M. BRÜDERLINK . . . . . 200
2.1.1 Allgemeine übersicht. . . . 200
2.1.2 Runddrahtwicklungen . . . 201
2.1.2.1 Die Spulenherstellung 201
2.1.2.2 Die Wicklungsmontage . 201
2.1.2.2.1 Die eingefädelte Wicklung 201
2.1.2.2.2 Die eingeträufelte Runddrahtwicklung . 201