Elektrisch isolierend beschichtetes Poleisen im Rotor einer elektrischen rotierenden Maschine

Die Erfindung betrifft einen Rotor einer Synchronschenkelpol ^¬ maschine, insbesondere zum getriebelosen Antrieb von Rohrmüh ^¬ len, mit einer Mehrzahl an Polsegmenten, welche kreisförmig um eine Rotationsachse des Rotors angeordnet sind, wobei ein Polsegment mindestens einen Polkörper aufweist, wobei ein

Polkörper ein Poleisen und eine Erregerspule aufweist, wobei die Erregerspule um das Poleisen gewickelt ist, wobei zumin ^¬ dest Teile des Poleisens eine Beschichtung aufweisen. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Synchronschenkelpolma ^¬ schine mit mindestens einem derartigen Rotor.

Ein derartiger Rotor kommt insbesondere bei sehr großen segmentierten Synchronschenkelpolmaschinen, beispielsweise zum getriebelosen Antrieb von Rohrmühlen, mit einer Leistung von mehr als fünf Megawatt und einem großen Durchmesser von beispielsweise fünfzehn Metern zum Einsatz. Bei der Synchronschenkelpolmaschine handelt es sich bevorzugt um einen Motor oder einen Generator. Eine segmentierte Synchronschenkelpol- maschine weist einen Stator und einen Rotor auf, wobei der Rotor im Stator um eine Rotationsachse drehbar ist, wodurch eine axiale Richtung und eine radiale Richtung definiert sind. Der Rotor weist eine Vielzahl von Polsegmenten auf, welche beispielsweise vier Polkörper, auch Erregerpole ge- nannt, aufweisen, und auf einem um die Rotationsachse ange ^¬ ordneten Kreisumfang angeordnet sind. Eine Erregerspule ist auf einem Polkörper um ein Poleisen, ein elektrisch notwendiges Eisenteil, welches beispielsweise in Form eines Blechpa ^¬ kets realisiert ist, gewickelt.

Eine Isolation der Erregerspule ist aus thermischen Gründen sehr aufwendig. Häufig ist außerdem mit einer elektrischen Isolation der Erregerspule eine Erhöhung des thermischen Übergangswiderstandes verbunden. Deshalb werden die Läufer ^¬ spulen aus thermischen Gründen und Kostengründen nicht elektrisch isoliert ausgeführt. Daraus ergeben sich Probleme durch Erdungsschlüsse bei langsam laufenden Synchronmaschinen mit hohem Drehmoment, welche durch Feuchtigkeit und/oder Ver ^¬ schmutzung an elektrisch aktiven Teilen des Erregerpols hervorgerufen werden. Die Feuchtigkeit lagert sich an elektrisch kritischen Stellen ab, sodass Kurzschlüsse zwischen Erregerspule und Poleisen entstehen. Der Fehler tritt häufig bei der Inbetriebnahme, der Montage oder nach einer Wartungsphase ei ^¬ nes Motors auf.

Bisher werden die Erregerspulen durch Einspeisung eines Stromes geheizt, wodurch die abgelagerte Feuchtigkeit verdampfen soll, um den Ursprungszustand wieder herzustellen. Dadurch entstehen Wartezeiten während der Errichtung oder während des Betriebes des Motors, die zu nicht unerheblichen Ertragsaus ^¬ fällen führen. Wenn Erdungsschlüsse durch das Heizen nicht beseitigbar sind, müssen die betroffenen Polsegmente ge- tauscht werden.

Aus DE 197 35 748 AI sind Elektroblechsegmente sowie Leiter einer Spulenwicklung für Statoren oder Rotoren elektrischer Maschinen bekannt, die zur magnetischen Isolierung zumindest bereichsweise eine isolierende Pulverlackbeschichtung aufwei ^¬ sen .

Aus WO 2007/107134 AI ist ein Stator bekannt, bestehend aus mehreren miteinander in Verbindung stehenden Statormodulen, welche Wicklungsnuten bilden, in die Statorwicklungen eingebracht sind, wobei sich in den Wicklungsnuten zwischen den Statormodulen und den Statorwicklungen eine elektrisch isolierende Beschichtung befindet, und wobei die Polschuhe Sei ^¬ tenflächen aufweisen, die zu den gegenüberliegenden Seiten- flächen der Polschuhe benachbarter Statormodule in Umfangs- richtung einen Nutspalt aufweisen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotor für ei ^¬ ne Synchronschenkelpolmaschine der eingangs genannten Art be ^¬ reitzustellen, welcher, im Vergleich zum Stand der Technik, eine schnellere und günstigere Inbetriebnahme sowie einen ef- fizienteren und kostengünstigeren Betrieb der Synchronschenkelpolmaschine gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch einen Rotor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Beschichtung elektrisch isolie- rend ausgeführt ist und dafür vorgesehen ist, einen Kurz- schluss zwischen der Erregerspule und dem Poleisen zu verhindern .

Weiterhin wird die Aufgabe durch eine Synchronschenkelpolma- schine mit mindestens einem derartigen Rotor gelöst.

Da eine Isolation der Erregerspule aus thermischen Gründen sehr aufwendig ist, ist es vorteilhaft das Poleisen, welches auch Läufereisen genannt wird, elektrisch zu isolieren. Häu- fig ist außerdem mit einer elektrischen Isolation der Erregerspule eine Erhöhung des thermischen Übergangswiderstandes verbunden. Da das Läufereisen während des Betriebes nur ge ^¬ ringfügig erwärmt wird, ist eine Isolation des Poleisens vor ^¬ teilhaft gegenüber einer Isolation der Spule. Ein Erdungs- schluss wird durch die Isolation des Poleisens mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung auch beim Auftreten von Feuchtigkeit und/oder Verschmutzung verhindert. Wartezeiten während der Montage, der Inbetriebnahme oder während des Be ^¬ triebes der Synchronschenkelpolmaschine, die zu nicht uner- heblichen Ertragsausfällen führen können, werden vermieden.

Besonders vorteilhaft ist die Erregerspule über eine dielek ^¬ trische Halterung mechanisch mit dem Poleisen verbunden. Eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der Erregerspule und dem Poleisen besteht nicht. Die dielektrische Halterung erzeugt einen definierten Abstand zwischen der Erregerspule und dem Poleisen wodurch die einzelnen Polkörper nahezu identische elektrische Eigenschaften aufweisen. Weiterhin wird die Spule so einfach, kostengünstig und verlustarm mechanisch stabilisiert .

In einer bevorzugten Ausführung weist die dielektrische Hal- terung eine Kriechwegverlängerung auf. Diese zusätzliche Mög ^¬ lichkeit der Vermeidung eines Erdungsschlusses schafft Redun ^¬ danz und erhöht die Sicherheit.

Bevorzugt ist die Erregerspule als Scheibenspule ausgeführt. Hierbei kann die Scheibenspule beispielhaft aus einem Band ^¬ leiter oder mehreren Bandleitern gewickelt werden. Ein Bandleiter besteht beispielsweise aus Kupfer. Durch die Verwen ^¬ dung einer Scheibenspule ergeben sich bessere Möglichkeiten der Kühlung der Spule im Betrieb, beispielsweise mit speziel- len Kühlwindungen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die elektrisch isolierend ausgeführte Beschichtung zumindest auf ei ^¬ ner elektrisch aktiven Kontur des Poleisens und/oder zumin- dest an einer kritischen Stelle des Poleisens aufgebracht. Dies führt zu einer Kostenersparnis im Vergleich zu einer kompletten isolierend ausgeführten Beschichtung des Poleisens . In einer bevorzugten Ausführung ist die elektrisch isolierend ausgeführte Beschichtung zusätzlich dafür vorgesehen, eine Korrosion des Poleisens zu verhindern. Das Poleisen, welches bereits bisher aus Korrosionsschutzgründen lackiert wird, wird mit einer Beschichtung oder Teilbeschichtung versehen, die Korrosionsschutz und elektrische Isolation gewährleistet. Daher ist beispielsweise die Integration isolierend ausge ^¬ führte Beschichtung in einen bisherigen Fertigungsschritt möglich. Dies führt zu einer Kostenersparnis. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die elektrisch isolierend ausgeführte Beschichtung zusätzlich zum mechanischen Schutz des Poleisens vorgesehen. Dies ist beispielsweise durch das Auftragen einer robusteren Beschichtung möglich und verhindert eine Beschädigung der Beschichtung während der Montage und/oder während des Transportes.

Bevorzugt ist die elektrisch isolierend ausgeführte Beschich- tung des Poleisens mehrlagig und/oder aus unterschiedlichen Materialen ausgeführt. Beispielsweise werden ein mechanischer Schutz durch eine außenliegende möglicherweise robustere Be ^¬ schichtung und eine elektrische Isolation durch eine innenliegende Beschichtung gewährleistet. Die Verwendung mehrerer Lagen mit möglicherweise unterschiedlichen Materialien verbessert die Qualität der Beschichtung.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die elektrisch isolierend ausgeführte Beschichtung des Poleisens eine erste Beschichtung und eine zweite Beschichtung auf, wo ^¬ bei die erste Beschichtung zur elektrischen Isolierung des Poleisens gegenüber der Erregerspule vorgesehen ist und die zweite Beschichtung zum Schutz des Poleisens vor Korrosion vorgesehen ist. Die beiden Beschichtungen bieten einen guten Schutz für das Poleisen während der Montage, der Inbetrieb ^¬ nahme oder während des Betriebes und sind einfach und kosten ^¬ günstig in der Herstellung.

In einer bevorzugten Ausführung weist die elektrisch isolie- rend ausgeführte Beschichtung des Poleisens eine kathodische Tauchlackierung (KTL) und/oder eine keramische Beschichtung auf. Eine kathodische Tauchlackierung wird auch Kataphorese genannt und ist ein elektrochemisches Verfahren, bei dem das Poleisen in einem Tauchbad beschichtet wird. Die kathodische Lackierung im Tauchbad ist vorteilhaft für das Lackieren komplizierter Strukturen und ist für große Stückzahlen geeignet. KTL bietet einen wirksamen und lang anhaltenden Korrosionsschutz, der kratzfest und beständig gegen Steinschlag und Salzwasser ist. Eine keramische Beschichtung, beispielsweise aus Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid, zeichnet sich durch ei ^¬ ne gute elektrische Isolation aus. Eine Schicht aus Glas oder Emaille ist möglicherweise auch als Isolierschicht geeignet. Figurenüberblick: Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

FIG 1 eine prinzipielle Darstellung einer Synchronschenkelpolmaschine, FIG 2 eine dreidimensionale Darstellung eines vierpoligen

Polsegments ,

FIG 3 eine schematische Darstellung eines Polkörpers in

Draufsicht mit einer vollständigen isolierend aus- geführten Beschichtung des Poleisens,

FIG 4 einen vertikalen Querschnitt nach Linie IV-IV aus

FIG 3, FIG 5 eine schematische Darstellung eines Polkörpers in

Draufsicht, wobei die elektrisch aktive Kontur des Poleisens eine elektrisch isolierend ausgeführte Beschichtung aufweist und FIG 6 eine schematische Darstellung eines Polkörpers in

Draufsicht, wobei die elektrisch kritischen Stellen des Poleisens eine elektrisch isolierend ausgeführ ^¬ te Beschichtung aufweisen. FIG 1 zeigt eine Synchronschenkelpolmaschine 1, insbesondere einen Ringmotor, welcher bevorzugt zum getriebelosen Antrieb von Rohrmühlen verwendet wird, in einer prinzipiellen Darstellung. Die dargestellte Maschine weist einen Stator 2 und einen Rotor 4 mit Polsegmenten 6 auf, wobei sich der Rotor 4 um eine Rotationsachse 5 dreht. Ein Luftspalt 3 befindet sich zwischen dem Stator 2 und dem Rotor 4. Bei derartigen langsam drehenden Synchronschenkelpolmaschinen, welche einen Rotor- durchmesser von 15 Meter und mehr haben können, werden die Polsegmente 6 in segmentierter Bauweise ausgeführt.

FIG 2 zeigt eine dreidimensionale Darstellung eines vierpoli- gen Polsegments 6. Das Polsegment 6 weist eine Grundplatte 7 und ein Blechpaket 26 auf. Exemplarisch vier Polkörper 8, auch Erregerpole genannt, befinden sich auf dem Blechpaket. Ein Polkörper 8 weist ein Poleisen 9, welcher ein zahnförmi- ger Teil des Blechpakets 26 ist, und eine Erregerspule 10 auf, wobei die Erregerspule 10 um das Poleisen 9 gewickelt ist. Die Erregerspule 10 besteht bevorzugt aus Kupfer kann aber auch aus einem anderen nicht-magnetischen Metall mit hoher elektrischer Leitfähigkeit bestehen. Die Grundplatte 7 und das Blechpaket 26 mit den vier Poleisen 9 werden vorzugs- weise aus Eisen gefertigt, können aber auch aus einem anderen weichmagnetischen Werkstoff bestehen. Die um das Poleisen 9 herum geführte Erregerspule 10 ist mechanisch aber elektrisch nicht leitend mit dem Poleisen 9 verbunden und liegt elektrisch nicht leitend auf dem Blechpaket 26 auf. Eine derarti- ge isolierend ausgeführte Halterung erzeugt einen definierten Abstand zwischen der Erregerspule 10 und dem Poleisen 9 wo ^¬ durch die einzelnen Polkörper 8 nahezu identische elektrische Eigenschaften aufweisen. Weiterhin wird die Erregerspule 10 so einfach, kostengünstig und verlustarm mechanisch fixiert. Die einzelnen Polsegmente 6 sind über Schrauben und/oder Bolzen an einem aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht darge ^¬ stellten Rotorflansch befestigt. Die elektrische Erregung der einzelnen Erregerspulen 10 erfolgt über Schleifringe. FIG 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Polkörpers 8 in Draufsicht mit einer vollständigen isolierend ausgeführten Beschichtung 23 des Poleisens 9. Die Erregerspule 10, welche bevorzugt als Scheibenspule ausgeführt ist, ist um das Pol ^¬ eisen 9 herum gewickelt. Die Erregerspule 10, welche auch Läuferspule genannt wird, ist aus thermischen Gründen und aus Kostengründen nicht elektrisch isoliert ausgeführt. Die Erre ^¬ gerspule wird durch vier dielektrische Halterungen 16, welche sich an der Längsseite der Erregerspule befinden und eine Kriechwegverlängerung 15 aufweisen, auf einem definierten Abstand gehalten und liegt isoliert auf zwei an der Längsseite des Poleisens 9 angeschweißten Spulenauflagen 11 auf. An den Stellen, da Erregerspule 10 isoliert auf der am Poleisen 9 angeschweißten Spulenauflagen 11 aufliegt, ist die Erregerspule 10 zunächst mit einer Isolation 14, dann mit einem harzgegossenen Glasfaserband 13 umwickelt. Die Isolation 14 besteht vorzugsweise aus Nomex, einem hitzebeständigen und flammenbeständigen Aramidfasermaterial mit hoher Isolation und hoher elektrischer Durchschlagsfestigkeit. Die Isolation 14 und das harzgegossene Glasfaserband 13 umgibt eine Stahl ^¬ kappe 12, mit welcher die Erregerspule 10 auf der am Poleisen 9 angeschweißten Spulenauflagen 11 aufliegt. An der Querseite der Erregerspule 10 liegt die Erregerspule 10 isoliert auf dem Blechpaket 26 auf. Die Auflage bildet auch hier eine

Stahlkappe 12, welche durch eine Isolation 14 und ein harzge ^¬ gossenes Glasfaserband 13 von der Erregerspule 10 isoliert ist. An einer der Auflagen auf dem Blechpaket 26 befindet sich eine Anschlusslasche 17 zur Stromzufuhr, welche vorzugs- weise mit einem nicht in FIG 3 dargestellten Schleifring kontaktiert wird. Die Kriechwegverlängerung 15 an der dielektrischen Halterung 16 besteht vorzugsweise aus Nomex.

Das Poleisen 9 ist mit einer isolierend ausgeführten Be- Schichtung 23 komplett überzogen um einen Erdungsschluss beim Auftreten von Feuchtigkeit und/oder Verschmutzung zu verhindern. Ein Erdungsschluss hätte lange Wartezeiten während der Montage, der Inbetriebnahme oder während des Betriebes der Synchronschenkelpolmaschine zur Folge, wobei lange Wartezei- ten zu nicht unerheblichen Ertragsausfällen führen können. Da eine Isolation der Erregerspule 10 aus thermischen Gründen sehr aufwendig und kostenintensiv ist, ist eine Isolation des Poleisens 9 einer Isolation der Erregerspule 10 vorzuziehen. Häufig ist mit einer elektrischen Isolation auch eine Erhö- hung des thermischen Übergangswiderstandes verbunden. Das Poleisen 9 erwärmt sich während des Betriebs, im Vergleich zur stromdurchflossenen Erregerspule 10, nur geringfügig. Die elektrisch isolierende Beschichtung kann zusätzlich bei Verwendung eines geeigneten Materials die Korrosion des Poleisens zu verhindern. Alternativ kann eine zweite Korrosions- schutzbeschichtung aufgetragen werden. Weiterhin kann die elektrisch isolierend ausgeführte Beschichtung 23 bei Verwendung eines geeigneten Materials und einer geeigneten Be- schichtungsdicke zusätzlich zum mechanischen Schutz des Poleisens 9 verwendet werden. Dies ist weiterhin durch das Auf ^¬ tragen einer zusätzlichen robusteren Beschichtung, möglicher- weise aus einem anderen Material, möglich. Eine derartige möglicherweise zusätzliche Beschichtung zum mechanischen Schutz des Poleisens 9 verhindert eine Beschädigung der Be ^¬ schichtung 23 des Poleisens 9 während der Montage und/oder während des Transportes.

FIG 4 zeigt einen vertikalen Querschnitt nach Linie IV-IV aus FIG 3 mit einem Teil der Erregerspule 10 und einem Teil des Poleisens 9. Es sind die Wicklungen der als Schiebenspule ausgeführten Erregerspule 10 dargestellt, wobei die Erreger- spule 10 abwechselnd mit zwei unterschiedlich breiten Kupferleitern, einer Kühlwindung 19 und einer Normalwindung 18, bewickelt wird, wobei sich am Rand der Erregerspule 10 zum Pol ^¬ eisen 9 hin zuerst eine Kühlwindung 19 befindet. U-förmig wird jede Kühlwindung von einer Spulenisolation 20 umschlos- sen, eine derartige Spulenisolation 20 wir auch U-Kappe ge ^¬ nannt und besteht vorzugsweise aus Nomex oder einem anderen Isolator mit hoher elektrischer Durchschlagsfestigkeit. Die als U-Kappe ausgeführte Isolation 20 ist nach oben hin geöff ^¬ net. Durch die unterschiedliche Breite der Kühlwindungen 19 und der Normalwindungen 18 vergrößert sich die Oberfläche der Scheibenspule an dieser Stelle, wodurch sich die Erregerspule 10 im Vergleich zu einer Scheibenspule mit gleich breiten Leitern effizienter entwärmt. Die elektrisch isolierend ausgeführte Beschichtung 23 des

Poleisens 9 weist eine erste Beschichtung 21 und eine zweite Beschichtung 22 auf, wobei die erste Beschichtung 21 zur elektrischen Isolierung des Poleisens 9 gegenüber der Erre- gerspule 10 vorgesehen ist und die zweite Beschichtung 22 zum Schutz des Poleisens 9 vor Korrosion vorgesehen ist. Durch die mehrlagige Beschichtung 23 aus unterschiedlichen Materialien wird die Qualität der Beschichtung 23 verbessert. Bei- spielsweise können Materialien wie eine KTL-Lackierung, eine ALEXIT-Lackierung oder CERAMCOTE für die Beschichtung 23 des Poleisens 9 verwendet werden. Durch das Auftragen einer robusteren möglicherweise zusätzlichen Beschichtung ist ein mechanischer Schutz des Poleisens 9 möglich, welcher eine Be- Schädigung des Poleisens 9 und seiner Beschichtungen 21, 22 während der Montage und/oder während des Transportes verhin ^¬ dert .

FIG 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Polkörpers 8 in Draufsicht, wobei die elektrisch aktive Kontur 24 des Pol ^¬ eisens 9 eine elektrisch isolierend ausgeführte Beschichtung 23 aufweist. Als elektrisch aktive Kontur 24 bezeichnet man die Teile des Poleisens 9, welcher sich in unmittelbarer Nähe zur Erregerspule 10 befindet und wo die Wahrscheinlichkeit eines Erdungsschlusses sehr hoch ist. Je großflächiger der Bereich um die Erregerspule 10 elektrisch isolierend be ^¬ schichtet wird, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass Erdungsschlüsse auftreten. Während die elektrisch iso ^¬ lierend ausgeführte Beschichtung 23 in der in FIG 5 gezeigten Ausführungsform nur die elektrisch aktive Kontur 24 des Poleisens 9 bedeckt, kann das Poleisen 9 eine Beschichtung zum Korrosionsschutz und/oder eine Beschichtung zum mechanischen Schutz des Poleisens 9 an anderen Stellen oder auf dem kompletten Poleisen 9 aufweisen.

FIG 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Polkörpers 8 in Draufsicht, wobei die elektrisch kritischen Stellen 25 des Poleisens 9 eine elektrisch isolierend ausgeführte Beschich ^¬ tung 23 aufweisen. Als elektrisch kritische Stellen 25 des Poleisens 9 werden die Teile des Poleisens 9 bezeichnet, an denen die Erregerspule 10 mit dem Poleisens 9 mechanisch ver ^¬ bunden ist. An diesen Stellen kann es durch Feuchtigkeit oder Verschmutzung bei der Montage, der Inbetriebnahme oder wäh- rend des Betriebes zu einer Überbrückung der elektrisch isolierenden Bauteile und damit zu einem Erdungsschluss kommen. Auch hier gilt, dass je großflächiger der Bereich um die Erregerspule 10 elektrisch isolierend beschichtet wird, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass Erdungssschlüsse auftreten. Während die elektrisch isolierend ausgeführte Be- schichtung 23 in der in FIG 6 gezeigten Ausführungsform nur die die elektrisch kritischen Stellen 25 des Poleisens 9 bedeckt, kann das Poleisen 9 eine Beschichtung zum Korrosions- schütz und/oder eine Beschichtung zum mechanischen Schutz des Poleisens 9 an anderen Stellen oder auf dem kompletten Poleisen 9 aufweisen.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung einen Rotor 4 einer Synchronschenkelpolmaschine 1, insbesondere zum getriebelosen Antrieb von Rohrmühlen, mit einer Mehrzahl an Polsegmenten 6, welche kreisförmig um eine Rotationsachse 5 des Rotors 4 an ^¬ geordnet sind, wobei ein Polsegment 6 mindestens einen Pol ^¬ körper 8 aufweist, wobei ein Polkörper 8 ein Poleisen 9 und eine Erregerspule 10 aufweist, wobei die Erregerspule 10 um das Poleisen 9 gewickelt. Um, im Vergleich zum Stand der Technik, eine schnellere und günstigere Inbetriebnahme sowie einen effizienteren und kostengünstigeren Betrieb der Synchronschenkelpolmaschine 1 zu gewährleisten, wird vorgeschla- gen, dass das Poleisen 9 eine vollständige Beschichtung 23 aufweist, wobei die vollständige Beschichtung 23 elektrisch isolierend ausgeführt ist und dafür vorgesehen ist, einen Kurzschluss zwischen der Erregerspule 10 und dem Poleisen zu verhindern .