DE3916253C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen ölgefüllten, elektrischen Tauchpumpenmotor. Ein solcher Motor ist beispielsweise durch die US-PS 42 75 319 bekannt. Eine bekannte Tauch­ pumpe besteht aus einem Motor und einer Zentrifugalpumpe, die hintereinander angeordnet und in einem Bohrloch an Schläuchen oder Kabeln aufgehängt sind.

Der Motor ist mit einem Öl gefüllt, das dazu dient, die bewegten Teile zu schmieren, elektrische Teile zu isolieren, den Motor zu kühlen und Flüssigkeit vom umgebenden Bohrloch vom Inneren des Motors fernzuhalten. Ein ölenthaltender Schutzmantel gleicht die thermische Ausdehnung und Zusammenziehung des Öles aus, die vom Betrieb bzw. Nicht-Betrieb des Motors herrührt.

Elektrische Tauchpumpen-Motoren sind teuer. Wenn sie Störungen im Betrieb verursachen, muß die Pumpeneinheit aus dem Bohrloch herausgezogen werden, was ein teurer Arbeitsvorgang ist. Demzufolge werden hochwertige Isolierungssysteme in den Pumpenmotoren angewandt, um elektrische Störungen zu vermindern. Das Isolierungssystem des Stators einer bekannten Bauart von Tauchmotoren umfaßt z. B. isolierende Hülsen und isolierende Schichtungen auf gegenüberliegenden Enden des Stators, isolierende, schlauchförmige Nutauskleidungen für die Statorwindungen, zahlreiche Isolierungslagen auf dem Leiterdraht der Windungen, isolierendes Band auf den Wickelköpfen der Windungen, isolierende Hülsen an den Verbindungen zu den Wickelköpfen und einen isolierenden Lack, der das gesamte Innere des Statoraufbaus imprägniert. Das im US-Patent 42 75 319 (auf das oben verwiesen worden ist) offenbarte, verbesserte Isolierungssystem verlängert die Zwischenzeit zwischen den Störungen gegenüber früheren Isolierungssystemen erheblich. Dennoch hat selbst dieses verbesserte Isolierungssystem in der rauhen Umgebung von heißen Bohrlöchern noch nicht die erwünschte Lebensdauer für Tauchmotoren gebracht.

Bei ölgefüllten Tauchmotoren ist es normale Praxis gewesen, einen Lack in das Stator-Isolierungssystem mit einzubeziehen. Der Gedanke nach dem oben erwähnten US-Patent 42 75 319 beruht auf einem verbesserten, hydrolytisch stabilen Lack, um die Lebensdauer des Motors zu verlängern. Der Lack imprägniert im wesentlichen das gesamte Statorsystem und dient als eine Feuchtigkeitsbarriere, um die Leiterdraht-Isolierung vor einem hydrolytischen Angriff zu bewahren. In üblicher Weise dient der Lack auch zu einer zusätzlichen elektrischen Isolierung für die elektrischen Leiter des Stators, unterstützt das Gewicht der Statorwindungen und schließt die Wickelköpfe der Statorwicklung so ein, daß sie im wesentlichen unbeweglich sind.

Der Gebrauch von Lack beim Stator-Isolierungssystem ist jedoch ein zweischneidiges Schwert. Die Lackimprägnierung ist ein teurer, arbeits- und kapitalintensiver Arbeitsvorgang. Der Lack neigt dazu, sich im Gebrauch zu zersetzen und auf diese Weise eine Verunreinigung des Öls herbeizuführen, das den Motor ausfüllt. Ein wiederholter Ausdehnungs-Zusammenziehungsvorgang, der während des Betriebes und der Stillstandsphase des Motors auftritt, bewirkt darüber hinaus ein Reißen des Lacks und führt letztlich zu einer elektrischen Störung des Motors. Andere Probleme, die im Zusammenhang mit dem Gebrauch von Lack auftreten, werden später betrachtet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Tauchpumpenmotor zu entwickeln, dessen Störanfälligkeit wesentlich geringer ist, und zwar insbesondere auch dann, wenn er bei hohen Umgebungstemperaturen eingesetzt wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 enthaltenen Merkmale gelöst. Dabei werden die oben genannten Schwierigkeiten durch die Verwendung der beanspruchten Materialien als Isolierung der Leiter der Statorwicklung insofern vermieden, als diese Materialien die nachteiligen Eigenschaften eines Lackes nicht aufweisen.

Die Erfindung wird nun im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben, die ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellen.

Fig. 1 ist eine zusammengezogene teilweise geschnittene Längsansicht einer Tauchpumpeneinheit, in der die vorliegende Erfindung angewendet werden kann;

Fig. 2 ist eine zusammengezogene, längsgeschnittene Ansicht eines Statoraufbaus eines ölgefüllten, elektrischen Tauchpumpen-Motors nach dem Stand der Technik;

Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht einer längsgeschlitzten Statorette, die dazu benutzt wird, die Erfindung zu testen, wobei die Statorette in Verbindung mit einem Diagramm gezeigt wird, das die Anordnung der Windungen darstellt, wie sie für Testzwecke benutzt worden sind;

Fig. 4 ist eine Explosionsdarstellung, die die Blöcke zum Unterstützen der Wickelköpfe darstellt, sowie andere Abschnitte eines Endes des Statoraufbaus, wie er in der Erfindung benutzt wird; und

Fig. 5 bis 7 sind längsgeschnittene Teilansichten, die Abschnitte eines Endes des Statoraufbaus zeigen, wie er in der Erfindung angewendet ist, und zwar in der Ansicht von verschiedenen Punkten aus, die um etwa 120° um den Umfang des Statoraufbaus herum angeordnet sind.

Bevor die Erfindung im einzelnen beschrieben wird, ist es nützlich, das Umfeld der Erfindung zu betrachten und einen Statoraufbau nach dem Stand der Technik im einzelnen zu beschreiben.

Fig. 1 stellt eine typische Tauchpumpeneinheit 10 dar, in der die vorliegende Erfindung angewendet werden kann. Die Pumpeneinheit umfaßt einen ölgefüllten, elektrischen Tauchmotor 12, ein Motorschutzgehäuse 14 und eine Pumpe 16, die als Zentrifugalpumpe ausgeführt sein kann. Der Motor umfaßt ein rohrförmiges Metallgehäuse 18, einen im Inneren des Gehäuses angeordneten Statoraufbau 20 und einen Rotor 22 mit einer Rotorwelle 24, wobei der Rotor zur Drehung koaxial innerhalb des Stators mit Hilfe von Lagern 26 und 28 gelagert ist. Wie üblich, ist das Innere das Motors 12 mit einem Öl gefüllt, wie z. B. einem wasserklaren (ganz aus Kohlenwasserstoff bestehenden) Mineralöl oder einem synthetischen Kohlenwasserstofföl (das besonders nützlich ist bei geothermischen oder anderen Umgebungsverhältnissen bei hoher Temperatur). Die Motorwelle hat einen Abschnitt, der durch das Motorschutzgehäuse 14 herausragt und mit der Schaufelradwelle der Pumpe 16 verbunden ist. Das Schutzgehäuse 14 enthält ebenfalls Öl und ist mit dem Inneren des Motors verbunden, um eine Ausdehnung und eine Zusammenziehung des Öles im Motor in der bekannten Art auszugleichen. Wahlweise oder zusätzlich kann der Motor mit einer Druckausgleichskammer versehen sein. Der Motor ist gegen das Eindringen von Flüssigkeit aus dem umgebenden Bohrloch abgedichtet, wobei ein oder mehrere mechanische Dichtungen 30 vorgesehen sind, um das Eindringen von Flüssigkeit von außen längs der Motorwelle in den Motor zu verhindern. Der Windungsaufbau 32 des Motors ist etwas schematisch dargestellt. Normalerweise kann der Motor ein dreiphasiger Induktionsmotor mit einer Käfigwicklung sein, wobei die Statorwindungen 32 das Motorfeld bilden. Die Pumpeneinheit kann in die Flüssigkeit der Bohrung über ein Rohr gehängt werden, das am oberen Ende der Pumpe angeschraubt ist, und die Pumpe kann durch dieses Rohr hindurch fördern. Wahlweise kann die Pumpeneinheit auch eine an einem Kabel aufgehängte Einheit sein, und wenn gewünscht, kann die Pumpe durch ein Förderrohr hindurch fördern. Es sind bereits verschiedene Bauarten von Tauchpumpeneinheiten bekannt und die Tauchpumpeneinheit 10 ist nur ein Beispiel einer Tauchpumpeneinheit, in der die Erfindung angewendet werden kann.

Fig. 2 stellt in größerer Ausführlichkeit einen Statoraufbau nach dem Stand der Technik dar. Der Statoraufbau umfaßt einen Stapel von Stahllamellen 34, an dessen gegenüberliegenden Enden elektrisch isolierende Lamellen 36 angeordnet sind. Die Lamellen sind in üblicher Weise perforiert, um Längsnuten zu bilden, wie z.B. die Nut 38, die am Umfang des Stators verteilt sind. Jede Nut enthält eine Nutauskleidung 40, die in Form eines dünnwandigen Schlauches aus fluorisiertem Äthylenpropylen-Copolymer ausgebildet sein kann. In die Nutauskleidungen sind isolierte Leiter 42 eingesetzt, um die Statorwindungen zu bilden, wobei das Wickelmuster der Windungen von der Art des Motors abhängt, wie dies allgemein bekannt ist. Dort, wo die Leiter 42 aus den Nutauskleidungen austreten, sind sie mit Glasband 44 umwickelt, das üblicherweise in der Form von Glasfasergewebe ausgebildet ist und die austretenden Drähte zusammenbindet, um einen festen Aufbau zu schaffen, der den elektromagnetischen Kräften widerstehen kann, die auf ihn während des Motorbetriebes ausgeübt werden.

Die Leiter 42 können z. B. aus bandumwickelten Drähten bestehen, bei denen ein Kupferdraht mit einem aromatischen Polyimidband umwickelt ist. Die Oberfläche des Bandes, die zum Leiterdraht hin gerichtet ist, ist mit einem fluorisierten Äthylenpropylen-Copolymer beschichtet, das als Heißschmelzkleber dient. Das Band wird dicht um den Kupferleiter herumgewickelt in einer sich überlappenden schraubenförmigen Art und eine zweite Lage des Bandes wird in ähnlicher Weise über der ersten Lage angeordnet. Das Band wird am Draht und an sich selbst durch die Anwendung von Wärme angeheftet.

Als mechanisches Hilfsmittel, um die gewünschte Biegung der Leiterdrähte in der zuerst geformten Lage zu erreichen, wird ein Spulenformblock 46 angewendet. Unterlagen 48, die aus halbrunden Stücken von Aramid-Blattmaterial hergestellt sein können, werden in die Nuten 38 gedrückt, nachdem die Leiterdrähte an ihrem Platz sind, um die Windungsdrähte mechanisch in den Nuten festzuhalten. Elektrisch isolierende Hülsen 50 kleiden das Innere der Enden des Gehäuses 18 aus und trennen die Wickelköpfe vom Gehäuse. In Schläuchen 54 elektrisch isolierte Bleidrähte 52 sind an die Statorwindungen 42 angelötet oder sonstwie mit ihnen verbunden. Ein Stecker 56 am Ende jedes Bleidrahtes dient zum Verbinden der Statorwindungen mit einem nicht dargestellten Kraftkabel oder mit einem nachfolgenden Statorabschnitt (wenn gestapelte Abschnitte angewendet werden). Der Statoraufbau enthält darüber hinaus üblicherweise zusätzliche Isolierschläuche und andere wohlbekannte Teile.

Ein anderer, sehr wichtiger Bestandteil des Isolierungssystems beim Statoraufbau nach dem Stand der Technik ist ein Lack, der das Innere des Stators imprägniert. Eine übliche Art von Lack, die hierfür bei Statoren der dargestellten Art verwendet wird, ist ein flüssigverdünnter, warmhärtbarer und sinternder Lack, der ein warmhärtendes Phenolharz enthält, welches mit einem gesättigten Polyester der isophthalischen Alkyd-Art modifiziert worden ist. Ölgefüllte, elektrische Tauchpumpen-Motoren mit Statoraufbauten der Art, wie sie in Fig. 2 gezeigt sind, die mit einem solchen Lack imprägniert sind, sind mehrere Jahre lang verkauft worden und wurden viel benutzt. Ähnliche Motoren sind ebenfalls in verbreitetem Gebrauch.

In den letzten Jahren haben die verkauften Motoren einen verbesserten, hydrolytisch stabilen Lack der Art verwendet, wie er in dem oben erwähnten US-Patent 42 75 319 erwähnt ist, wobei dieser Lack die Motorlebensdauer erheblich verlängert hat. Durch die Anwendung eines solchen Lackes, der auf Polybutadien-Bestandteilen basiert, wird eine gegen Wasser widerstandsfähige Barriere auf der Isolierung des Stators erzeugt. Wasser ist natürlich auch überall dort vorhanden, wo Öl gepumpt wird, und obwohl die Tauchmotoren mit Öl gefüllt sind und Bemühungen erfolgt sind, um das Innere des Motors gegen die Flüssigkeit des umgebenden Bohrlochs abzudichten, ist das Eindringen von Wasser in die Motoren weiterhin ein schwerwiegendes Problem. Verbesserte Abdichtungen und Dichttechniken haben zwar die Probleme des Eindringens von Wasser etwas vermindert, aber nach einem längeren Gebrauch tritt dennoch Wasser unausweichlich in den Motor ein.

Solange, wie der hydrolytisch stabile Lack intakt bleibt, wird die Isolierung des Leiterdrahtes, der die Statorspulen bildet, gegen eine Hydrolyse geschützt. Wie dies oben bereits angedeutet worden ist, erzeugt ein wechselweiser Lauf und Stillstand des Motors jedoch eine thermische Ausdehnung und Zusammenziehung (des Öls), die eventuell zu einem Crack-Vorgang des Lacks führt, so daß die Isolation des Leiterdrahtes einem hydrolytischen Angriff ausgesetzt wird, was letztlich zu einer elektrischen Störung des Motors führt.

Wenn die Isolierung des Leiterdrahtes selbst hydrolytisch stabil wäre, wäre es nicht notwendig, einen Lack zum Schutz der Leiterdrahtisolation vor Hydrolyse anzuwenden. Übliche Leiterdrahtisolationen (wie früher beschrieben) sind jedoch hydrolytisch nicht stabil. Kürzlich sind mit hydrolytisch stabiler Isolation isolierte Leiterdrähte erhältlich geworden, so daß die Möglichkeit entstanden ist, daß der Einsatz von solchem Leiterdraht für Statorwindungen eines ölgefüllten Tauchmotors die Notwendigkeit eines Lackschutzes vermeiden könnte. Der Lack dient jedoch üblicherweise zusätzlich zu einem Schutz der Leiterdrahtisolation gegen hydrolytische Angriffe zusätzlich noch anderen wichtigen Funktionen. Diese zusätzlichen Funktionen beinhalten das Unterstützen des Gewichts der Leiterdrahtwindungen, das Vorsehen einer zweiten elektrischen Isolation und das Einkapseln und Festlegen (Stabilisieren) der Wickelköpfe des Windungspakets. Darüber hinaus schützt der verbesserte Lack nach dem US-Patent Nr. 42 75 319 nicht nur die Leiterdrahtisolation vor Hydrolyse; er schützt auch andere Bestandteile des Isolationssystems, die empfänglich sind für hydrolytische Angriffe, einschließlich der Phasenbarrieren, Isolierhülsen, und des Bandes für den Wickelkopf. Der Gebrauch einer hydrolytisch stabilen Leiterdrahtisolation würde daher nicht von sich aus den Verzicht auf den Lack erlauben.

Die vorliegende Erfindung offenbart einen speziell konstruierten Statoraufbau, der die Notwendigkeit eines Lackes vermeidet. Die generelle Ausbildung des Statoraufbaus, der nach der Erfindung benutzt wird, ist ähnlich wie derjenige nach dem Stand der Technik, wie er in Fig. 2 dargestellt ist; Unterschiede werden jedoch hiernach offenbar werden.

Zunächst einmal verwendet der Statoraufbau nach der vorliegenden Erfindung, anders als der Statoraufbau beim Stand der Technik, eine Leiterdrahtisolation, die sowohl hydrolytisch stabil als auch ölresistent unter allen Einsatzbedingungen des Motors ist. Die Isolation muß beide Eigenschaften haben, weil sie im Gebrauch sowohl mit dem Öl in Berührung kommen wird, das im Motor eingefüllt ist, als auch mit dem Wasser, das letztlich in den Motor eintritt.

Hydrolytische Stabilität ist die Fähigkeit, Wasser und Wasserdampf oberhalb des Siedepunktes zu widerstehen, und zwar ohne Zerstörung der chemischen Struktur und ohne erkennbaren Verlust von physikalischen und elektrischen Eigenschaften. Ölresistenz ist die Fähigkeit, der Aussetzung von Öl zu widerstehen, ohne erkennbare Schädigung des chemischen Aufbaus oder der physikalischen oder elektrischen Eigenschaften.

Für die Zwecke der Erfindung muß die Leiterdrahtisolation zwar hart und abriebfest sein, aber auch flexibel genug, um in enge Bogen gelegt zu werden. Abriebfestigkeit ist die Eigenschaft, einer gleitenden Reibungseinwirkung ohne erkennbare Wirkung zu widerstehen. Die Leiterdrahtisolation muß abriebresistent sein, weil eine Abriebmöglichkeit nicht vermieden werden kann, obwohl die Statorwindungen mechanisch unterstützt sind (wie es im einzelnen hiernach offenbart werden wird). Eine übliche Leiterdrahtisolation (wie vorher beschrieben) hat nur eine schlechte Abriebresistenz. Die Leiterdrahtisolation muß genügend Flexibilität haben, um einem wiederholten Biegen und Formen während des Aufwickelvorgangs auf die Statorspulen ohne Brüche, Zerrungen oder einen Verlust von dielektrischer Stärke zu widerstehen. Die Leiterdrahtisolation muß eine dielektrische Stärke haben, die groß genug ist, um die verwendeten Spannungen zu beherrschen, und muß eine Temperatur im Gebrauch zulassen, die hoch genug ist für die Temperaturen, denen begegnet werden muß.

Geeignete Materialien für die Leiterdrahtisolation nach der Erfindung sind Polyäther-Ätherketone (PEEK), Polyätherketone (PEK), und Polybenzimidazole (PBI), wobei PEEK am meisten bevorzugt ist. Ein PEEK-beschichteter Leiterdraht, wie er nach der Erfindung verwendet wird, kann z. B. aus einem ausgeglühten festen, runden Kupferdraht bestehen, der mit einem kristallinen oder amorphen PEEK über den kupfernen Leiter hinweg kontinuierlich ohne Fehlstellen, Blasen oder Fremdkörper extrudiert worden ist, zu einer Beschichtungsdicke von 0,1524 mm (0,006 inch) auf jeder Seite, mit einem gesamten Aufbau von ungefähr 0,3 mm. Diese Isolation hat eine dielektrische Stärke von ungefähr 15 800 V/mm und ist für eine dauernde Temperatur von ungefähr 204°C (400°F) geeignet. Die geringste Störungsspannung beträgt 8000 Volt. Für die meisten Motor-Arbeitsbedingungen, die bei der Erfindung betrachtet werden, ist eine dielektrische Stärke von wenigstens ungefähr 15800 V/mm und eine dauernde Temperatur von ungefähr 204°C (400°F) geeignet. PEEK-isolierte Leiterdrähte sind im Handel erhältlich. PEEK hat eine Abriebresistenz von 11 mg/1000 Umläufe, PBI hat eine Abriebresistenz von ebenfalls 11 mg/1000 Umläufe und PEK hat eine Abriebresistenz von 3 mg/1000 Umläufe. Der oben erwähnte Wert für die Abriebfestigkeit von PEK erscheint im "Auswahlhandbuch für Ingenieurmaterialien" 1988, veröffentlicht von der Penton Publishing Incorporated. Die Werte für PBI und PEEK wurden gemäß ASTM D4060 ermittelt. Vorzugsweise soll die Abriebfestigkeit einer Leiterdrahtisolation 25 mg/1000 Umläufe oder weniger sein.

Wie aus der vorangegangenen Beschreibung hervorgeht, muß eine Leiterdrahtisolation, wie sie nach der Erfindung verwendet wird, eine Kombination von bestimmten Eigenschaften aufweisen. Materialien, die nicht die notwendige Kombination von Eigenschaften aufzuweisen scheinen und daher für einen nach der Erfindung verwendeten Leiterdraht für ungeeignet erscheinen, sind z. B. Polyestersulfone (PES), Polyimide, Polyamidimide, Nylon, Polyester, PVD, Epoxy-Harze, Perfluoroalkoxy (PFA), Tetrafluoräthylen (TFE), und fluorisiertes Äthylenpropylen (FEP).

Wesentlich für das Vermeiden von Lack ist das Vorsehen von anderen Mitteln zum Unterstützen des Gewichts der Statorwindungen und zum Festlegen (Stabilisieren) der Wickelköpfe des Windungspakets. Nach der vorliegenden Erfindung werden diese Funktionen durch Stützblöcke ausgeführt sowie durch ein Band, das die Wickelköpfe des Statorwindungspakets an die Stützblöcke befestigt.

Beim Motor nach dem Stand der Technik, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, wurde ein Spulenformblock verwendet, um einen Wickelkopf eines ersten Statorwindungspakets zu formen und unterzubringen, der mit einem geringen Biegungsradius zusammengepreßt werden muß.

Bei der vorliegenden Erfindung werden jedoch Blöcke dazu verwendet, um alle Wickelköpfe des Statorwindungspakets zu unterstützen und zu stabilisieren und gleichzeitig einen Spulenformblock für den ersten Wickelkopf zu bilden.

Die Blöcke nach der Erfindung unterstützen das Gewicht der Leiterdrahtwindungen und legen den Wickelkopf im wesentlichen fest. Obwohl sich die Windungen noch leicht während des Betriebes des Motors bewegen, wird jede solche Bewegung weitgehend unterdrückt. Die Blöcke müssen hydrolytisch stabile und ölresistente, elektrische Isolatierstücke sein, mit einer geeigneten dielektrischen Stärke und einer ebenso geeigneten Fähigkeit zum Gebrauch bei hohen Temperaturen. Eine dielektrische Stärke von wenigstens 11 850 V/mm (ASTM D149) und eine dauernde Temperaturfestigkeit von wenigstens 204°C (400°F) sind ausreichend für die meisten Bedingungen, wie sie nach dieser Erfindung betrachtet werden. Die Blöcke müssen auch bei der Arbeitstemperatur fest bleiben. Geeignete Blockmaterialien sind z. B. Polyphenyl-Sulfide (Ryton), PEEK, Teflon und PBI. Das am meisten bevorzugte Material ist Ryton, gefolgt von PEEK, PEK und Teflon. Es können auch einige Keramikwerkstoffe, Phenole und Epoxy-Harze verwendet werden. Die meisten Epoxy-Harze, PES, Torlon, Nylon, Polyimide und die meisten anderen Kunststoffe verbinden nicht die benötigten Eigenschaften der hydrolytischen Stabilität, der Ölresistenz, der Steifheit, der dielektrischen Stärke und der dauernden Temperaturfestigkeit.

Blöcke von der Art, wie sie bei der Erfindung verwendet werden, sind in Fig. 4 dargestellt. Wie gezeigt, werden drei Blöcke 58, 60 und 62 verwendet. Die Blöcke 58 und 60 haben eine gebogene Form, um sich der Umfangsform der Endlamellen 36 anzupassen. Der Block 58 ist in Umfangsrichtung gesehen etwas länger als die Blöcke 60 und 62. Der Block 58 hat im Abstand voneinander ein Paar Nuten 64 und 66, während die Blöcke 60 und 62 jeweils eine einzelne Nut, 68 bzw. 70, aufweisen. Die Blöcke 58 und 60 sind im allgemeinen rechteckig (aber etwas gebogen, wie oben erwähnt) und haben sanft abgerundete Ecken 72. Der Block 62 hat einen Basisabschnitt 73, der im allgemeinen ähnlich ist wie der Block 60, aber eine geringere Umfangslänge aufweist, so daß der Basisabschnitt 73 im wesentlichen flach, jedenfalls eher als gebogen ist. Der Block 62 hat einen Blockkopf 74.

Wie dies in den Fig. 5 bis 7 dargestellt ist, sind die Endlagen der Statorwindungen an den Stützblöcken mit Hilfe eines Bandes 76 befestigt. Das Band wird dazu benutzt, die isolierten Leiter jedes Wickelkopfs zu einem Bündel zusammenzufassen und die Wickelköpfe auf den Stützblöcken zu befestigen, sowie die Wickelköpfe aneinander zu befestigen und Phasenbarrieren zu bilden. Das Band muß hydrolytisch stabil und ölresistent sein. Eine dielektrische Stärke von wenigstens 11850 V/mm und eine dauernde Temperaturbeständigkeit von wenigstens 204°C (400°F) sind für die meisten Betriebsbedingungen ausreichend, wie sie nach dieser Erfindung betrachtet werden. Das Band sollte eine ausreichende Zugfestigkeit haben, vorzugsweise von 2,1 kg/mm² (3000 psi) oder mehr und es sollte eine ausreichende Elastizität haben, die es gestattet, das Band im Gebrauch zu strecken und eine Anpreßkraft auszuüben, die sicherstellt, daß das Band im aufgewickelten Zustand unter Spannung bleibt. Ein nichtklebendes Teflonband wird bevorzugt, aber Bänder aus PEEK, PEK oder PBI können ebenfalls angewendet werden. Das Glasfaserband, wie es in Motoren nach dem Stand der Technik zum Sichern der einzelnen Wickelköpfe am Spulenformblock angewendet wird, ist bei der Erfindung nicht brauchbar, da ein solches Band nicht die erforderliche Kombination von Eigenschaften aufweist. Die üblichen Bänder aus Gummi oder PVC-Kunststoff sind ebenfalls nicht brauchbar.

Die Statorwindungen sind im allgemeinen in derselben Art gewickelt wie die Statorwindungen beim Statoraufbau nach dem Stand der Technik, wie er in Fig. 2 dargestellt ist. Die isolierten Leiter 42 werden (vorzugsweise kontinuierlich) durch die Nutauskleidungen 40 von Paaren von Statornuten 38 hindurchgewunden, um Leiter-Bündel zu formen, welche die Statorspulen darstellen. Ein Teil eines solchen Bündels ist in Fig. 4 dargestellt.

Bei der Herstellung des Stators eines Dreiphasen-Induktionsmotors nach der Erfindung wird ein erstes, schraubenförmig mit Band 76 umwickeltes Bündel von Leitern auf dem Block 58 gebildet, um einen Wickelkopf 78 der ersten Spule einer ersten Phase zu bilden (siehe Fig. 5). Der Wickelkopf 80 einer zweiten Spule der ersten Phase wird mit Band umwickelt und dann zusammen mit dem Wickelkopf 78 nochmals mit Band umwickelt. Der Wickelkopf 82 der dritten Spule der ersten Phase wird mit Band umwickelt und daraufhin werden alle drei Wickelköpfe der Spulen der ersten Phase am Block 58 mit Band befestigt, das um alle drei Wickelköpfe und durch die Nuten 64 und 66 gewickelt wird, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist. Ein ähnlicher Arbeitsgang wird am anderen Ende des Statoraufbaus durchgeführt, wo identische Blöcke zu denen vorhanden sind, wie sie in Fig. 4 dargestellt sind, um die Wickelköpfe an diesem Ende des Statoraufbaus zu unterstützen. Wenn während des Wickelvorganges der Statorspulen die Leiter der Statorspulen nicht durch die Auskleidungen der Statornuten und die Enden des Stators herumgelegt werden, werden die Wickelköpfe der einander gegenüberliegenden Enden des Statoraufbaus dicht gegen die jeweiligen Blöcke 58 gezogen, so daß diese Stützblöcke in Eingriff mit den Endlamellen gehalten werden.

In einem ähnlichen Vorgang des Spulenwickelns und des Umwickelns werden die Wickelköpfe 84, 86 und 88 der drei Spulen der zweiten Phase gebildet, mit Band umwickelt und auf den Stützblock 60 gezogen (mit Hilfe eines um die Spulen und durch die Nut 68 gewundenen Bandes). Derselbe Arbeitsgang wird am gegenüberliegenden Ende des Stators ausgeführt, so daß die Wickelköpfe dicht gegen die jeweiligen Stützblöcke 60 an gegenüberliegenden Seiten des Statoraufbaus gezogen werden und die Stützblöcke eng gegen die Endlamellen gezogen werden.

Zuletzt werden die drei Wickelköpfe 90, 92 und 94 der drei Spulen der dritten Phase gebildet und in derselben Weise befestigt, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist. In diesem Fall erfordert der größere Abstand der Wickelköpfe von den Endlamellen, das die Wickelköpfe auf dem Blockkopf 74 des Blockes 62 befestigt werden, und zwar mit Hilfe eines Bandes, das um die Wickelköpfe herum und durch die Nut 70 hindurch gewunden ist. Derselbe Arbeitsgang erfolgt wiederum auf der gegenüberliegenden Seite des Stators, so daß die Wickelköpfe dicht gegen die Blöcke 62 auf gegenüberliegenden Enden des Statoraufbaus gezogen und die Blöcke dicht gegen die Endlamellen angedrückt werden.

In der vorliegenden Erfindung werden ebenfalls elektrisch isolierende Hülsen 50 angewendet, aber anstelle von der Verwendung von blattförmigem Material, welches nicht hydrolytisch stabil ist, werden die isolierenden Hülsen z. B. aus Teflon, PEEK, PEK, Ryton oder PBI gebildet. Dabei wird Teflon am meisten bevorzugt, gefolgt von PEEK. Es können auch einige Phenol-Arten verwendet werden. Das Material muß ölresistent, zusätzlich aber noch hydrolytisch stabil sein. Das Material der isolierenden Hülsen muß eine ausreichende dielektrische Stärke und eine ebenso genügende Dauertemperaturfestigkeit haben. Für die meisten Betriebsbedingungen, die nach dieser Erfindung betrachtet werden, ist eine dielektrische Stärke von wenigstens 11 850 V/mm (ASTM D149) und eine Dauertemperaturfestigkeit von wenigstens 204°C (400°F) ausreichend.

Beim Motor nach dem Stand der Technik, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, wird eine (nicht dargestellte) Nylonschnur dazu verwendet, um die Motorleitungen während des Montagevorganges des Motors in einer Lage zu halten, daß sie nicht in Kontakt mit der rotierenden Welle oder der Wellenkupplung kommen. Nylon ist zu abreibungs-anfällig, um in der vorliegenden Erfindung angewendet zu werden.

Die Befestigung für die Motorleitungen, wie sie nach der Erfindung angewendet werden, sollten abriebfest sein und ebenso hydrolytisch stabil und ölresistent. Für die meisten Arbeitsbedingungen, wie sie nach der Erfindung betrachtet werden, ist eine dielektrische Stärke von wenigstens 11 850 V/mm (ASTM D149) und eine Dauertemperaturfestigkeit von wenigstens 204°C (400°F) ausreichend. Eine Zugfestigkeit von wenigstens 2,1 kg/mm² (3000 psi) ist wünschenswert. Dünne Bänder aus Teflon, PEEK oder PEK sind geeignet, wobei das bevorzugte Material Teflon ist. Dabei wird ein Band gegenüber einer Schnur vorgezogen, weil es eine größere Berührungsfläche hat.

Bei der vorliegenden Erfindung wird eine getrennte Phasenbarriere, wie sie beim Statoraufbau gemäß Fig. 2 nach dem Stand der Technik angewendet wird, nicht benötigt, weil das um die Wickelköpfe herumgewickelte Band als Phasenbarriere wirkt. Ebenso sind die Unterlagen 48, die beim Statoraufbau gemäß Fig. 2 verwendet werden, nicht notwendig, weil das Gewicht der Statorwindungen von den Stützblöcken getragen wird. Alle zusätzlichen Isolierhülsen oder andere, beim Statoraufbau verwendete Bestandteile müssen hydrolytisch stabil und ölresistent sein und müssen eine genügend große dielektrische Stärke und Dauertemperaturfestigkeit aufweisen.

Um das Prüfen des neuen Stator-Isolierungssystems nach der Erfindung ebenso zu erleichtern wie das eines Standard-Systems, das im Zusammenhang mit Fig. 2 geschildert worden ist und das einen Lack der Art umfaßt, wie er im oben geschilderten US-Patent 42 75 319 offenbart ist, wurden mehrere Einheiten einer Vorrichtung gebaut, die "Statorette" genannt wurde. Im wesentlichen ist jede Statorette eine verkleinerte Ausführung eines Stators, wie er gegenwärtig in ölgefüllten, elektrischen Tauchpumpenmotoren verwendet wird, jedoch mit einem Wickelmuster, das so aufgebaut ist, daß ein elektrischer Testvorgang erleichtert wird. Fig. 3 stellt die Hälfte einer Statorette dar, die längs aufgeschlitzt worden ist. Die Statorette umfaßt einen Stapel von Stahllamellen 34′, isolierende Endlamellen 36′, Statornuten 38′ und neun voneinander getrennte Testspulen 1 bis 9, von denen jede eine zweiadrige Spule a, b ist und jede acht Windungen aufweist. Die Leiter 42′ der Windungen sind in Nutauskleidungen eingesetzt und die Wickelköpfe sind bei dem Standard-Isoliersystem mit Glasgewebebändern 44′ umwickelt und bei dem Isolierungssystem nach der Erfindung mit Teflonband 44′. Durch eine Einfärbung der Leiterenden kann a von b unterschieden werden. Nur ein Ende von jedem Leiterpaar muß erreichbar sein. Einige der erreichbaren Leiterenden sind in Fig. 3 mit einem Kreis gekennzeichnet. Das Wickelmuster ist oberhalb von Fig. 3 schematisch dargestellt, wobei die Kreuzungspunkte (und einige erreichbare Leiterenden) sich im oberen und unteren Abschnitt der Figur einander entsprechen. Mit Ausnahme des Wickelmusters sind die zweiadrigen Windungen im wesentlichen dieselben wie bei einem üblichen Stator. Die Isolierungsmaterialien sind jene, die auch in einem üblichen Stator verwendet werden. Es werden normale Leiterdrähte (wie sie oben beschrieben worden sind) dort verwendet, wo ein übliches Isoliersystem verwendet wird, und Leiterdrähte, die mit PEEK beschichtet sind, werden in dem Fall angewendet, wenn ein System nach der Erfindung geprüft wird.

Bei einem besonderen Wärmealterungstest, wie er jetzt beschrieben wird, wird eine Gruppe von üblichen Statoretten mit einem üblichen Polybutadien-Lack imprägniert, wie er bei den oben beschriebenen Motoren nach dem Stand der Technik angewendet worden ist, und eine zweite Gruppe von Statoretten wird in Übereinstimmung mit der Erfindung unlackiert belassen. Die Statoretten wurden einem Spannungsprüftest unterzogen (und zwar vor und nach der Imprägnierung bei den üblichen Statoretten), um die Wirkungen jeglicher mechanischer Zerstörung auszuschalten, die während des Vorganges des Wickelns eingetreten sein könnten. Die Statoretten wurden dann in Übereinstimmung mit dem Testlauf geprüft, wie er von den Richtlinien in der IEEE-Norm 98-1972 abgeleitet worden ist. Jede Statorette wurde in einen zwei Liter fassenden chemischen Parr-Autoklaven gestellt, der als Alterungskammer benutzt wurde, und dessen Temperatur eingestellt werden konnte. Die Alterungstests wurden bei Nominaltemperaturen von 185°C, 210°C und 235°C durchgeführt. Die Autoklaven wurden ungefähr zu einem Dreiviertel mit einem üblichen Motorenöl gefüllt (gerade genügend, um die obersten Wickelköpfe zu bedecken) und es wurde ein Glasprüfrohr in die Bohrung der Statorette eingesetzt, das ungefähr 60 Milliliter destilliertes Wasser enthielt. Diese Menge Wasser war ausreichend, um sicherzustellen, daß das System immer mit Wasser gesättigt ist und einen Überschuß von flüssigem Wasser haben würde, wodurch ein Zustand des Motors simuliert wurde, in den Wasser eingedrungen ist.

Dann wurde geschätzt, wie lange es bei einer bestimmten Statorette bis zur nächsten Störung dauern würde, und der Vorgang der Wärmealterung wurde zu einem Zeitpunkt unterbrochen, der ungefähr einem Zehntel der geschätzten Zeit bis zur nächsten Störung entsprach. Der Autoklav, der die Statorette hielt, wurde dann auf die Raumtemperatur abgekühlt und über Nacht in einen Gefrierschrank mit -40°C gestellt. Daraufhin wurde er aus dem Tiefkühlschrank herausgenommen und er konnte sich auf Raumtemperatur erwärmen, worauf die Statorette aus dem Parr-Autoklaven entnommen und einem Spannungsprüftest unterzogen wurde, um das Maß der Unverletztheit zu überprüfen, die im dielektrischen System verblieben war.

Das benutzte elektrische Testgerät war ein dielektrisches Hipotronics-Testgerät mit 30 KV und 60 Hz. Die Prüfspannungen, die bei den elektrischen Testvorgängen in jedem Prüflauf des Wärmealterungstestes angewendet wurden, wurden auf einen Betrag angesetzt, der ungefähr 10% höher ist als die höchste Spannung, die im normalen Gebrauch des Motors je zu erwarten war. Es wurden drei Arten von Spannungstests angewendet. Bei einem Test wurde eine Spannung von 500 Volt zwischen den beiden Drähten angewendet, die in einer zweiadrigen Spule angeordnet sind. Dies schaffte eine Spannungsbelastung durch den isolierenden Film auf den beiden, jeweils ungefähr zwei Meter langen Drahtlängen hindurch, die Teil einer besonderen, zweiadrigen Spule sind. Eine zweite Art des Spannungstestes war die Anwendung einer Spannung von 3500 Volt zwischen den beiden Drähten von einer der zweiadrigen Spulen und den Statorlamellen. Dies ergab eine Spannungsbelastung quer durch den Drahtisolierungsfilm und danach durch das Nut-Auskleidungsmaterial. Beide Leiter der zweiadrigen Spule wurden für diesen Test parallel gelegt. Ein dritter Test war die Anwendung einer Spannung von 3500 Volt zwischen zwei benachbarten zweiadrigen Spulen. Mit anderen Worten: es wurden die beiden Drähte z. B. in Spule 1 parallel geschaltet und die beiden Drähte, z. B. in der Spule 2, wurden ebenfalls parallel geschaltet und eine Spannung wurde zwischen diesen Spulen angelegt. Das Statoreisen war während des Testes fließend (floating) und der Spannungstest wurde im wesentlichen durch die Wickelköpfe der Spulen angewendet. Dieser Test ergab eine Spannungsbelastung zwischen den Wickelköpfen an den Kreuzungspunkten.

Anhand der vorbeschriebenen Tests konnte eine Beurteilung der Unversehrtheit der Leiterdrahtisolation, der Grundisolation und der Isolation auf den Wickelköpfen angestellt werden. Ein Verluststrom von mehr als 15 Milli-Ampere wurde als ein Anzeichen für eine Störung betrachtet. Eine Störung (Spannungsverlust) in nur einem von den drei Spannungstests wurde als eine Störung des Testmusters angesehen.

Nach dem Abschluß des Spannungstests jedes Prüfungslaufes wurde die Statorette in den Parr-Autoklaven zurückgestellt und der Wärmealterungsprozeß wurde für eine Zeitdauer fortgesetzt, die gleich lang war wie die erste Alterungsperiode. Das abwechselnde Altern und elektrische Prüfen wurde dann fortgesetzt, um die wirkliche Lebensdauer vor einer Störung zu ermitteln.

Die Auswertung der geschaffenen Prüfdaten erfolgte in enger Anlehnung an den "Führer für die statistische Auswertung von Daten über thermische Lebensdauer - IEEE Norm 101-1972". Die Zeiten bis zu einer Störung bei einer gegebenen Temperatur wurden statistisch ausgewertet und in einer statistischen Verteilungskurve aufgezeichnet. Aus der statistischen Auswertung der Verteilung der Zeiten bis zu einer Störung bei einer gegebenen Temperatur wurde die Zeit bis zu einer 50%-igen Wahrscheinlichkeit einer Störung abgeleitet.

Die Laboratoriumsprüfungen ergeben einen Zeitraum bis zu einer 50%-igen Wahrscheinlichkeit einer Störung für das Isolierungssystem mit dem normalen Lack und Leiterdraht von 2284 Stunden bei 235°C, wobei der Druck im Autoklaven 32,2 kg/cm² ist. Nach 14 458 Stunden Alterungszeit bei 235°C haben sich demgegenüber keine Störungen bei der unlackierten Statorette ergeben, bei der ein PEEK-beschichteter Leiterdraht verwendet worden ist. Für die Statoretten nach der Erfindung ist eine 50%-ige Wahrscheinlichkeit einer Störung bei 235°C in wassergesättigtem Öl mit wenigstens 100% länger als 2284 Stunden ermittelt worden, nämlich mit 4568 Stunden. Die Prüfungsergebnisse zeigen klar eine überlegene Lebensdauer von ölgefüllten, elektrischen Tauchpumpen-Motoren, die gemäß der Erfindung hergestellt worden sind.

Bei einem anderen Laboratoriumstest wurden eine unlackierte und eine lackierte Motorette verwendet (eine Motorette ist ein Motor mit einem einzelnen Rotor, wie oben beschrieben, aber ohne das Gehäuse 18 gemäß Fig. 2); sie wurden bei 165°C (330°F) mit festgehaltenem Rotor betrieben. Die Motoretten wurden 64000 Mal dem Testzyklus unterworfen, ohne daß elektrische Störungen aufgetreten wären. Dieser Test bringt extreme Belastungen auf die Wickelköpfe. Die Erregung der Statorwindungen wird für 10 Sekunden aufrechterhalten und dann für 60 Sekunden nachgelassen. Die Zyklen werden in dieser Weise bis zu einer Störung fortgesetzt oder bis zu einer genügend hohen Zahl, um sicherzustellen, daß eine Bewegung der Wickelköpfe nicht zu einer Motorstörung führen würde. Parallel zu der unlackierten Motorette wurde eine normallackierte Motorette geprüft und in beiden Motoretten trat bei derselben Anzahl von Prüfläufen keine Störung auf, aber die lackierte Motorette erreichte eine 10 bis 15°F höhere Temperatur.

Ein Hauptschlußmotor (TRW Reda 540) mit 50 PS wurde nach der Erfindung hergestellt, in einer Testbohrung angeordnet und in Verbindung mit einem normallackierten 540 Hauptschlußmotor betrieben. Diese Motoren wurden (mit festgelegtem Rotor) bei 93°C (200°F) in Wasser bei einer vollen Spannung von 1370 Volt und einer Stromaufnahme von 23 Amp bei 60 Hz geprüft. Dabei zeigten Temperaturberechnungen, daß der lackierte Motor in den Windungen 12°F wärmer war als der unlackierte Motor. Beide Motoren durchliefen mehr als 10 000 Testläufe ohne Störung. Dies sind beträchtlich mehr Starts und Stops als ein Motor im normalen Gebrauch erleben wird (weniger als 100). Zuletzt wurde ein 160 PS starker 115 Volt 540 Hauptschlußmotor nach der vorliegenden Erfindung gebaut und in einer Testbohrung als Antriebsmotor für Testpumpen betrieben. Dieser Motor lief 672 Stunden mit 165 Starts und Stops, bis eine Lagerstörung den Versuch beendete.

Durch die Erfindung wurden die Zeit und die Kosten zum Imprägnieren des Statoraufbaus mit Lack vermieden. Ebenso werden elektrische Störungen aufgrund von Lackbrüchen vermieden. Ein unerwarteter Erfolg des unlackierten Statoraufbaus ergibt sich ferner dadurch, daß der Motor im Betrieb wesentlich kühler bleibt, weil das in den Motor eingefüllte Öl in direktem Kontakt mit der Leiterdrahtisolation ist und frei durch die Nuten des Stators und um die Wickelköpfe der Statorwindungen zirkuliert. Die Erfindung bewirkt eine erhebliche Ausdehnung der Lebensdauer von Motoren, die bei derselben Temperatur betrieben werden, wie Motoren nach dem Stand der Technik und ermöglicht billigere Motoren, die auch bei höheren Temperaturen betrieben werden können, als das bisher möglich war. Das Weglassen des Lackes schaltet auch eine wesentliche Quelle der Verunreinigung des Motoröls aus. Wenn der Lack im Betrieb altert, tendiert er dazu, sich zu zersetzen, wobei kleine Flocken oder Lackteilchen im Öl abgelagert werden. Dies vermindert und zersetzt die schmierenden und elektrischen Isolationseigenschaften des Öls.

Ein weiterer Vorteil des Weglassens des Lackes wird beim Vorgang des Reparierens und Wiederaufbauens eines Stators ersichtlich. Ein unlackierter Stator kann leicht neu gewickelt werden, ohne daß es notwendig ist, Lack zu entfernen und den Stator durch und durch zu reinigen, bevor ein lackierter Stator wieder aufgebaut werden kann. Diese Erleichterung des Entfernens des Drahtes von einem unlackierten Stator erleichtert die Fehlersuche, weil die Sichtbarkeit eines Fehlers während der Lackentfernung nicht zerstört wird.

Das Aufwickeln der Leiter bei einem unlackierten Stator wird durch das Fehlen einer konventionellen Wickelisolierung der Leiterdrähte erleichtert. Der isolierte Leiterdraht, wie er bei der Erfindung verwendet wird, hat eine glatte Oberfläche und ist leichter aufzuwickeln. Das Fehlen eines gewickelten Isolierungsaufbaus beim üblichen Leiterdraht, wie er in einem lackierten Stator verwendet wird, vermeidet auch eine mögliche Quelle für elektrische Störungen. Eine Bewegung des Leiterdrahtes, die sowohl elektrisch als auch mechanisch während des Bewegungsablaufs des Motors erzeugt werden kann, erzeugt eine Reibung des gewickelten Isoliermaterials gegen sich selbst oder gegen ein anderes Material, woraus Abrieb, Absplitterung, Brüche oder eine generelle Zerstörung der Isolation resultieren kann, die eventuell zu einer elektrischen Störung führt. Darüber hinaus stellen die Wickelsäume des um den Leiterdraht herumgewickelten Isolierbandes eine dem Isolationssystem innewohnende Schwachstelle dar. All dies wird nach der vorliegenden Erfindung vermieden.

Obwohl unlackierte Statoren schon bei Motoren für niedrige Temperatur und Leistungsbereiche bereits, z. B. für Wasserpumpen, verwendet worden sind, sind solche Motoren bisher mit Wasser gefüllt worden und bei diesen niedrigen Temperatur- und Leistungsbereichen waren die Funktionen des Lacks, wie er in ölgefüllten Motoren eingesetzt wird, nicht erforderlich. In ölgefüllten Motoren sind lackierte Statoren seit Jahrzehnten verwendet worden und der Lack ist als ein wesentlicher Bestandteil des Stator-Isolierungssystems angesehen worden. Die vorliegende Erfindung, die im Gegensatz zu den Lehren des Standes der Technik steht, hat einen klar überlegenen Motor hervorgebracht.

Obwohl eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben und gezeichnet worden ist, ist es für den Fachmann klar, daß bei dieser Ausführungsform Änderungen vorgenommen werden können, ohne von den Prinzipien und dem Geist der Erfindung abzuweichen, deren Schutzbereich in den angefügten Ansprüchen umrissen ist.

Claims (4)

1. Ölgefüllter elektrischer Tauchpumpenmotor, dadurch gekennzeichnet, daß bei nicht lackimprägniertem Stator (32) die Isolierung der Leiter (42) der Statorwicklung aus einem hydrolytisch stabilen, ölresistenten und abriebfesten Polyäther-Ätherketon (PEEK) , Polyätherketon (PEK) oder Polybenzimidazol (PBI) besteht.

2. Tauchpumpenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wickelköpfe (78 bis 94) durch vorgeformte Blöcke (58, 60, 62) abgestützt sind, an denen sie mit isolierendem Band (76) befestigt sind, das um die Wickelköpfe und Blöcke herumgewickelt ist.

3. Tauchpumpenmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blöcke (58, 60, 62) im wesentlichen steif und das Band (76) im wesentlichen elastisch ist.

4. Tauchpumpenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (12) ein Metallgehäuse (18) hat, das den Statoraufbau (32) enthält, sowie elektrisch isolierende Hülsen, die das Innere dieses Gehäuses (18) im Bereich der Wickelköpfe (78 bis 94) auskleiden, wobei diese Hülsen (50) hydrolytisch stabil und ölresistent sind.