STANDSTILL HEATING FOR ELECTRICAL MACHINE

Abstract: 1. Electrical induction machine with a main stator winding (109, 110) arranged in slots (104), characterised in that a separate winding designed as a heating winding (111) is arranged next to the main stator winding (109, 110) in some of the slots (104).

Description: Stillstandsheizung für elektrische Maschine Die Erfindung betrifft eine elektrische Drehfei..dmasch#ne mit in Nuten angeordneter Ständerhauptwicklung oder eine elektrische Gleichstrommaschine mit über ausgeprägten Polen gewickelte Haupt- oder Wendepolwicklung. Insbesondere bei geschlossenen elektrischen Maschinen kann durch Einbau einer Stillstandsheizirng die Bildung von Schwitzwasser (Feuchtigkeit infolge Kondensation) bei Tempersturschwankungen vermieden werden. Es ist beispielsweise bekannt, die Ständerwicklung, oder einen Teil der Ständerwicklung, Jeweils bei Stillstand der Maschine an eine Spannungsquelle anzuschliessen und durch die ohmschen Verluste in der Ständerwicklung einer Abkühlung der Maschine entgegenzuwirken und die Bildung von Feuchtigkeit infolge Kondensation zu verhindern. Eine derartige Stillstandsheizung ist teuer, da ein auf die erforderliche Spannung und Heizleistung dimensionierter Transformator erforderlich ist. Werden an die elektrische Maschine die Anforderungen des Explosionsschutzes gestellt, so müssen auch bei der Auswahl und Aufstellung der Transformatoren die Richtlinien des Explosionsschutzes beachtet werden. Ferner ist es bei Niederspannungsmotoren üblich, Heizbänder auf die Wickelköpfe zu bandatieren. Die Soeisunz erfolgt über Hilfsklemmen meistens mit 220 V Wechse7- spannung. Das Umwickeln der Wickelköpfe mit Widerstandsdraht oder Heizbändern ist jedoch nur bei ausreichendem Abstand zwischen Wickelkopf und Gehäuse möglich. Diese Lösung ist bei vielen elektrischen Maschinen jedoch nicht anwendbar, da über den Wickelköpfen nicht ausreichend Raum zur Verfügung steht, oder dieser Raum fertigungsbedingt nicht zugänglich ist. Ferner sind Heizbänder wegen ihrer zu dünnen Heizdrähte bzw. ihrer Oberflächentemperaturen bei explosionsgeschützten Maschinen nicht zugelassen. Im Mittel- und Grossmaschinenbereich verwendet man als Stillstandsheizung Heizstäbe, die ins Gehäuse der Maschine geschraubt werden. HeizstSbe sind jedoch teuer und bei Normmotoren aus Platzgründen nicht verwendbar. An die Stillstandsheizungen für exDlosionsgeschützte Motoren der Zündschutzart ¯erhöhte Sicherheit" werden erhöhte Sicherheitsanforderungpn gestellt, die durch die beschriebenen Massnahmen, insbesondere bei Elektro-Normmotoren, nicht einhaltbar sind. Aufgabe der Erfindung ist es, für elektrische Maschinen eine Stillstandsheizung zu schaffen, die durch einfache Mittel und kostengünstig in Elektro-Normmotoren montier- bar ist, und die den Anforderungen an explosionsge- schützte Maschinen insbesondere in Zündschutsart ¯erhöhte Sicherheit' genügt. Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer elek trischen Drehfeldmaschine mit in Nuten angeordneter Ständerhauptwicklung dadurch gelöst, dass wenigstens in einigen der Nuten neben der Ständerhauntwicklung eine separate Wicklung angeordnet ist, die als Heizwicklung ausgebildet ist. Vorzugsweise wird die Heizwicklung als Einschichtwick- lung mit kurzem Wicklungsschritt ausgebildet. Kurzer Wickelschritt bedeutet, dass die beiden Nuten, denen die hingehenden und rückkehrenden Leiter einer Spule angehören, nahe beieinander liegen. Hierdurch ist es möglich, die Wickelkopfaus1ndung der Heizwicklung klein zu halten und eine kreuzungsfreie Verlegung der einzelnen Spulen der Heizwicklung im Bereich des Wickelkonfes zu ermög- lichen. Hierdurch können zu hohe Temperaturen in den Wickelköpfen der Heizwicklung, wo die Wärmeabführung schlechter ist als in den Nuten, und Heissounkte an Kreuzungspunkten von Leiter der Heizwicklung vermieden werden. Die Anzahl und Schaltung der Spulen wird zweckmassiger- weise so gewählt, dass die gegenseitize Induzierung von Spannungen zwischen Heizwicklung und Hauptwicklung möglichst gering ist. Hierbei ist es häufig von heson- derem Vorteil, die Heizwicklung als Einphasenwicklung auszulegen, die aus mehreren in Reihe geschalteten Einzelspulen besteht. Hierbei können Verbindungsounkte zwischen den einzelnen Spulen (Lötstellen) vermieden werden. Für eine einfache Montage der Heizwicklung ist es vorteilhaft, diese am Luftspalt, d.h. über der Ständerwicklung im Bereich der Nutöffnung, anzuordnen. Die Heizwicklung wird hierbei. erst nach Einlegen der Stän- derhauptwicklung in die Nuten eingebracht. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Heizwicklung in ihrem Wickelkopfbereich zwischen zwei Isolierstreifen angeordnet, wobei ein Isollerstreifen zwischen Heizwicklung und Hauptwicklung liegt und der zweite Iso)ierstreifen die Heizwicklung abdeckt. Der erste Isolierstreifen dient der Isolierung zwischen Heizwicklung und Ständerhauptwicklung, und durch den zweiten Isolierstreifen wird zur Fixierung der Spulen- drähte die Heizwicklung luftspaltseitig abgedeckt. Zur Isolierung von Ständerhauptwicklung und Heizwicklung im Bereich der Nut wird zweckmässigerweise eine Zwischenlage aus Isoliermaterial zwischen den Wicklungen angeordnet. Das abschliessende Imprägnieren mit Tränkmitte ] bewirkt eine Fixierung der Heizwicklung und einen guten Wärme übergang. Vorzugsweise sind die Wickelköpfe der Heizwicklung an die Ständerhauptwicklung bandagiert. Eine weitere erfinderische Ldsung der Aufgabe ist für elektrische Gleichstommaschine mit über ausgeprägten Polen gewickelter Haupt- oder Wendepolwicklung dadurch gegeben, dass wenigstens über einen der Pole neben der Haupt- oder Wendepolwicklung eine separate Wicklung angeordnet ist, die als Heizwicklung ausgebildet ist. Zur Isolierung von Stnderhauptwicklung bzw. Wendend- wicklung und Heizwicklung wird zweckmSssigerweise eine Zwischenlage aus Isoliermaterial zwischen den Wicklungen angeordnet. Die Heizwicklung besteht vorzugsweise aus lackisoliertem Runddraht aus Widerstandswerkstoff, in der Regel einer Widerstandslegierung. Anhand den Zeichnung sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil#ungen näher erläutert werden. Es zeigt: Fig. 1 einen Sektor des Querschnittes einer Dreh strommaschine, Fig. 2 den Querschnitt einer Ständernut, Fig. 3 ein Wickelschema der Heizwicklung für den Strnder einer Drehstrommaschine, Fig. 4 einen Ausschnitt aus dem Axialschnitt einer Drehstrommaschine, der den WickelkotJrbereich darstellt, Fig. 5 den Ouerschnitt durch eine Gleichstrommaschine mit Haupt- und Wendepolen. Den Fig. 1,2, 3 und 4 sind Einzelheiten einer 4-po1igen oberflächengekühlten Drehstrommaschine mit einer Stän- dernutzahl von 48 gemäss Fig. 3) entnehmbar, die expRo- sionsgeschützt in Zündschutzart ¯erhöhte Sicherheit" ausgeführt sein kann. Die Fig. 1 zeigt einen Sektor des Querschnittes durch die Drehstrommaschlne mit dem Motorgehäuse 101 mit angeformten Kühl rippen 102, dem Ständerb)echpaket 103, welches Ständernuten 104 mit eingelegter Ständerhauptwicklung enthält, und dem Läufer 105, welcher eingegossene bzw. eingeschobene Lauferstähe 106 enthält, die beidseitig des Läuferblechpaketes 107 durch nicht dargestellte Kurzschlussringe miteinander elektrisch verbunden sind. Zwischen dem Lauferblechoaket 107 und dem StSnderblecheaket 103 befindet sich ein Luftspalt 108. In Fig. 2 ist in vergrösserter Darstellung der Ouerschnitt einer Ständernut 104 gemäss Fig. 1 dargestellt. In die Ständernut 1011 ist eine Ständerhauptwicklung 109,110, eine Heizwicklung 111 und ein Nutkeil 112 eingelegt. Die Ständerhauptwicklung 109, 110 ist als Zweischichtwicklung ausgebildet. Im Nutgrund 113 ist die Unterlage der Ständerhauptl4icklung 109 und darüber die Oberlage der StEnderhauptwicklung 110 angeordnet. Unterlage 109 und Oberlage 110 sind durch eine Zwischenlage 114 gegeneinander isoliert. Durch eine weitere Zwischenlage 115 ist die Oberlage der Ständerhaut > t- wicklung 110 gegen die Heizwicklung 111 isoliert. Die Ständernut 104 ist mit einem Deckschieber 116 und dem Nutkeil 112 verschlossen. Die gesamte Standernut 104 ist durch eine Nutisolation 118 ausgekleidet. Die Heizwicklung 111 ist eine Einphasenwicklung und ist aus zwölf Einzel spulen in Reihe geschaltet. Sie wird wie eine getrennte Wicklung behandelt. Sie liegt am Luftspalt, d.h. im Bereich der Nutöffnung 117, was das Einlegen der Heizwicklung 111 erleichtert. Beim Einlegen der Heizwicklung 111 kann wie folgt verfahren wer8on: Nachdem die Hauptwicklung wo9,110 komplett geschaltet aber noch nicht getränkt ist, werden bei den entsore- chenden Ständernuten 104 (in die eine Heizwicklung 111 eingelegt werden soll) die Nutkelle 112 und die Deckschieber 116 entfernt. Anschliessend werden in diese Ständernuten 1Q4 am Luftspalt Zwischenlagen 115 einze- führt, um die Oberlage der Hauptwicklung 110 und die Heizwicklung 111 gegeneinander zu isolieren. Nach dem Einlegen der Heizwicklung 111 werden die entsprechenden Ständenuten 104 wieder mit den Decksohiebern 116 und den Nutkeilen 112 verschlossen. Die Figur 3 zeigt eine Abwicklung der Heizwicklung vom Luftspalt aus gesehen. Die Heizwicklung 111 besteht aus zwölf Spulen (Ziffern 1 bis 12), die durch ttbergangslei- ter 119 miteinander verbunden und in Reihe geschaltet sind. Die beiden Anschlussleitungen 120 der Heizwicklung sind an nicht dargestelSte Hi#fsklemmen im Klemmenkasten der Maschine angeschlossen. Der Wickelschritt der Spulen beträgt 2. Jede Spule besteht aus mehreren in Reihe xe- schalteten Leitern aus einem lackisolierten Runddraht, welcher aus einer Widerstandslegierung (z.B. CuNi 44) besteht. Der Durchmesser und die Isolierung des Runddrahtes entsprechen den Anforderungen für explosionsgeschützte Maschinen der Zündschutzart ¯erhöhte Sicher heizt". Da eine Spule nur aus wenigen in Reihe liegenden Leitern besteht und ein Leiter wiederum aus nur einem Draht besteht, hat die Heizwicklung 111 nur einen sehr geringen Platzbedarf (ca. 1 % der Nutflache) und lässt sich folglich mühelos in jede Maschine einbauen. Die Ausführung der Heizwicklung gemäss Fig. 3 erlaubt ausser einer gleichmässigen Verteilung der Heizleistung und dem daraus resultierenden gleichmässigen Temperatur- feld innerhalb der Maschine auch eine besonders einfache Gestaltung der Isolierung gegenüber der Hauptwicklung im Wickelkopfbereich, welcher in Fig. 4 dargestellt ist. Es ist das Motorgehäuse 101 und das Ständerblechpaket 103, aus dem die Ständerhauptwicklung 109, 110 heraustritt und den Wickelkoo¯ 121 bildet, erkennbar. Neben der Ständerhauptwicklung 109,110 tritt luftspaltseitig die Heizwicklung 111 aus dem StSnderblechpaket 103 aus. Durch die günstige Dimensionierung der Heizwicklung 111 gemäss Fig. 3 kann die Ausladung des Wickelkopfes 122 der Heizwicklung 111 gering gehalten werden, wodurch der Hauptteil der Heizleistung im Nutbereich anfällt, wo eine gute Weiterleitung der Wärme an die Hauptwicklung 109,110 und das Ständerblechpaket 103 erfolgt. Ferner kann die Verlegung der Spulen im Wickelkopfbereich weitgehend durch die günstige Heizwicklungsauslegung kreuzungsfrei erfolgen, so dass Reisspunkte im Wickelkopf- bereich vermieden werden. Im Wickelkopfbereich wird die Heizwicklung 111 durch Isolierstreifen 123 (Phasentrenner) von der Hauptwicklung 109,110 isoliert. Ein weiterer Isolierstreifen 124 deckt luftspaltseitig die Heizwicklung 111 ab. Der Wickelkopf 122 der Heizwicklung 111 wird an den Wickelkopf 121 der Hauptwicklung 109,110 bandagiert (gestrichelte Linie). Der Wickelkopfbereich der Heizwicklung 111, der zwischen den Isolierstreifen 123 und 124 liegt, läuft beim Tränken der Wicklungen mit Tränk- harz zu, so dass die Heizwicklung 111 im Wickelkopfbereich fest eingebettet ist. Das Isoliermaterial kann aus Verbundspan bzw. Isolierfolie bestehen. Die Fig. 5 zeigt den Querschnitt durch eine Gleichstrommaschine mit ausgeprägten Hauptpolen 130 und Wendepolen 131. Die Hauptpole 130 tragen je eine Ständerhauptwicklung 132, die durch eine Zwischenlage 133 aus Isolior- material abgedeckt ist und durch eine separate Heiz- wicklung 134 umwickelt ist. Die Wendepole 131 tragen je eine Wendepolwicklung 135, welche ebenfalls durch eine Zwischenlage 136 von einer darüber liegenden separten Heizwicklung 137 isoliert ist. Die Heizwicklungen 134 und 137 sind durch Isolierstreifen 138 und 139 abgedeckt. In der Achse der Gleichstrommaschine ist ein Läufer 140 drehbar gelagert, der eine in Nuten 141 angeordnete Ankerwicklung aufweist. Bei der Dimensionierung von Heizwicklungen 111, 134, 137 wird die Anzahl und Schaltung der Spulen zweckmässiger- weise so gewählt, dass die gegenseitige Induzierung von Spannung zwischen Heizwicklung 111, 134, 137 und Hauptwicklung 109, 110, 132 bzw. Wendepolwicklung 135 möglichst gering ist. Die thermische Belastung der Heizwickung 111, 134, 137 wird vorzugsweise derart begrenzt, dass bei Stillstand der Maschine diese lediglich soweit erwärmt wird, dass Schwitzwasserbildung vermieden wird. Beispielsweise muss für den stationären Zustand die aufzuwendende Heizleistung den Wärmeverlusten durch natürliche Konvektion entsprechen. Durch die Erfindung lassen sich diese Anforderungen besonders günstig für explosionsgeschützte Maschine der Zündschutzart "erhöhte Sicherheit", bei der besondere Sicherheitskriterien erfüllt werden müssen, realisieren.

Claims: Ansprüche 1. Elektrische Drehfeldmaschine mit in Nuten angeordneter Ständerhauptwicklung, dadurch gekennzeich- net, dass wenigstens in einigen der Nuten (104) neben der Ständerhauptwicklung (109,110) eine separate Wicklung angeordnet ist, die als Heizwicklung (111) ausgebildet ist. 2. Drehfeldmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizwicklung (111) als Einschichtwicklung mit kurzem Wickelschritt ausgebildet ist. 3. Drehfeldmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizwicklung < 111) aus mehreren in Reihe geschalteten Spulen (1 bis 12) besteht. 4. Drehfeldmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizwicklung (111) über der Ständerhauptwicklung (109,110) im Bereich der Nutöffnung (117) angeordnet ist. 5. Drehfeldmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Wickelkopfbereich die Heizwicklung (111) zwischen zwei Isolierstreifen (123,124) angeordnet ist, wobei ein Isolierstreifen t123) zwischen Heizwicklung (111) und Hauptwicklung (110) liegt und der zweite Isolierstreifen t124) die Heizwicklung (111) luftspaltseitig abdeckt. 6. Drehfeldmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wickelköpfe (122) der Heizwicklung (111) an die Wickelköpfe (121) der Ständerhauptwicklung (109,110) bandagiert sind. 7. Elektrische Gleichsstrommaschine mit über ausgeprägten Polen gewickelter Haupt- oder Wendeso ] - wicklung, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens über einen der Pole (130,131) neben der Hauptpolwicklung (132) oder der Wendepolwicklung (135) eine separate Wicklung angeordnet ist, die als Heizwicklung (134,137) ausgebildet ist. 8. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizwicklunz (111,134,137) aus lackisoliertem Runddraht aus Widerstandswerkstoff besteht. 9. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Ständerhauptwicklung (109,110, 132) bzw. Wendepolwicklung (135) und Heizwicklung (111,134,137) eine Zwischenlage (115,133,136) aus Isoliermaterial angeordnet ist.

Inventors: KELLER, FRITZ, MEISER, KARLHEINZ, DR., REITER, HANS
Applicants: BROWN, BOVERI & CIE AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1984
Main classification: H02K11
IPC codes: H02K15