Herstellung von Roebelstäben

Der Erfinder Ludwig Roebel (Bild 1) konnte beim Einreichen seines Patentes kaum wissen, wie zahlreich sich seine Erfindung noch über 100 Jahre später in hochwertigen elektrischen Maschinen wiederfindet. Die Vorteile waren ihm allerdings sehr wohl bewusst. So war in seiner Patentschrift (Bild 2) aus dem Jahr 1912 zu lesen: »Ein Roebelstab ist ein Leiter für elektrische Maschinen, welcher aus zwei oder mehr Gruppen von flachen Teilleitern besteht, (...) die mit Hilfe von Kröpfungen (...) miteinander verflochten und verdrillt sind, so dass (...) daher in allen parallel geschalteten Teilleitern gleiche elektromotorische Kräfte induziert und Wirbelströme vermieden werden.«

Aufbau eines Roebelstabs

Bei der Roebelung eines Stabes werden mehrere, in Gruppen zusammengelegte, gegeneinander isolierte Teilleiter (Kupferleiter)

miteinander verflochten. Jeder Teilleiter ändert seine Position im Gesamtstab in gleicher Weise. Während einer Roebelung um 360° (im Vollkreis) durchläuft jeder einzelne Teilleiter innerhalb eines Stabes (standardmäßig nur im Nutteil) diese Drehung genau einmal, so dass er sich am Ende der Nut wieder an der gleichen Position befindet wie am Anfang. Durch diese gleichmäßige Positions­änderung aller Teilleiter wird einer ungleichmäßigen Stromverteilung im Leiter entgegengewirkt. Die damit verbundenen Stromwärmeverluste (Kupferverluste) werden damit verringert. Das ist insbesondere bei Generatoren höherer Leistung (bei Großgeneratoren) von entscheidender Bedeutung, da dieser Effekt mit zunehmender Leistung ansteigt.

Zu Zeiten Ludwig Roebels gab es nur die Möglichkeit, den Querschnitt zu erhöhen, um diesem Effekt vorzubeugen. Damit stieß man allerdings ab einer Scheinleistung von ca. 10… 15 MVA an Grenzen. Am Beispiel der »Resin-Rich-Technologie«, also der Isolierung durch Einwickeln der Stäbe in harzreiche Bänder, die schließlich durch Er­wärmung ausgehärtet werden, soll der Aufbau eines Stabes noch verdeutlicht werden (Bild 3):

• Zunächst werden die gekröpften Teilleiter miteinander verflochten (»verroebelt«) und die Stabhälften (Teilstäbe) zusammengefügt (1)
• dann wird ein sogenanntes Schwertmaterial zur Verfestigung der Stabhälften des noch unisolierten (grünen) Leiters hinzugefügt (2)
• nachfolgend wird eine Ausgleichsmasse (Füllkit) aufgebracht (3)
• im vierten Schritt umwickelt man die Stäbe mit den harzreichen (»resin rich«) Bändern (4)
• Außen- und Endenglimmschutz (5 und 6) sowie ein Schutzband im Evolventenbereich (7) machen die Fertigung komplett.

Die Stabarten

Roebelstäbe gibt es in den Ausführungen als Einfach-, Doppel- und Dreifachstab. Diese drei Arten sind jeweils indirekt luftgekühlt (Bild 4). Daneben gibt es aber auch Roebelstäbe aus Hohlleitern, die eine direkte Flüssigkeitskühlung erlauben (Einfach- und Doppelstab). Schließlich gibt es noch die Variante von Doppelstäben und mittig gesetzten Hohlleitern, die eine direkte Gaskühlung besitzen.

Unterschiedliche Einsatzgebiete

Roebelstäbe für Turbogeneratoren

Turbogeneratoren kommen in Kombination mit Dampfturbinen in z.B. Kohle-, Kern-, Öl-, Sonnenwärme- oder GuD-Kraftwerken (Gas- und Dampf) zum Einsatz. Die Kombination Turbine und Generator wird dabei als »Turbosatz« bezeichnet. Bei entsprechender Kühlart (Wasser direkt) lassen sich hier Generatoren für hohe Leistungen realisieren. Die wesentlichen Merkmale dieser Bauform sind:

• hohe Leistung ab ~ 30 MVA bis 150 MVA bei 6 kV bis 15,5 kV
• hohe Drehzahl 1500 min-1 bei 4-poliger Ausführung (Statordurchmesser bis 2 m) und 3 000 min-1 bei 2-poligen Maschinen (Statordurchmesser bis 1,25 m)
• kleine Nutzahl (von ~ 36 bis ~ 84 Nuten) = geringe Anzahl Stäbe
• langes Paket
• großes Stabgewicht (120-kg-Stab bereits hergestellt).

Dies können beispielsweise Motor-Kompressor-Einheiten zur Förderung von Erdöl sein. In Bild 5 ist eine Maschine zu sehen, die für den Unterwasserbetrieb vorgesehen ist. Die Nenndaten sind 18 MW und 6,6 kV sowie eine max. Drehzahl von 10.000 min^-1. An den Seiten wird je eine Kompressor-Einheit betrieben, die das geförderte Schweröl direkt durch die Wicklungen presst.

Zusätzliches Verfahren

Das Resin-Rich-Verfahren ist nicht das einzige Verfahren, um Roebelstäbe zu isolieren. Zur Vervollständigung sei deshalb das VPI-Verfahren noch erwähnt (vacuum pressure impregnation). Hierbei werden trockene Bänder ohne Harz um die Stäbe gewickelt. Die Stäbe werden dann entweder einzeln, im Single-VPI-Verfahren oder als komplette Wicklung im GVPI-Verfahren (Global-VPI) imprägniert und die trockenen Isolationsbänder entsprechend durchtränkt.

Beide Varianten (Resin-Rich- und VPI-Verfahren) sind – einwandfrei funktionierende Fertigungsabläufe vorausgesetzt – qualitativ absolut vergleichbar.

(nach Unterlagen der Firma Partzsch)