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Härtbares Isoliermittel
Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Isolationsmaterialien, insbesondere Isolierbänder, die vor allem zur Isolierung von Leitern elektrischer Maschinen bestimmt sind. Man hat bisher häufig Isolierbänder auf der Grundlage von Glimmer verwendet, die aus Plättchen oder SpaltstUckchen von Glimmer mit Hilfe eines faserigen Trägers und eines biegsamen und geschmeidigen harzartigen Bindemittels hergestellt wurden.
Hiefür waren schon Mischungen bekannt aus : Glimmer, Schellack, Mischungen auf der Grundlage von Asphalt oder mehr oder weniger plastifiziertem Teer oder verschiedenen synthetischen Harzen, wie Polystyrol, Acryl-oder Alkydharze, Polyepoxydharze usw.
Wenn man von Schellack ausgehend die Bänder herstellt, führt dies infolge der schlechten elektrischen Isolationseigenschaften in der Wärme zu sehr beträchtlichen Dielektrizitätsverlusten.
Die Isolierungen auf der Grundlage von Asphalt haben den Nachteil einer schlechten Dimensionsstabilität und einer beträchtlichen Absonderung von Glimmer. Ausserdem ist es beim Aufbringen der Isolierung zuweilen unerlässlich, unter kräftigem Vakuum die Lagen der Bänder wiederholt mit einer geschmolzenen Asphaltmischung zu imprägnieren. Diese Arbeit ist langwierig und erfordert Sorgfalt.
Die Bänder auf der Grundlage von synthetischen Harzen, wie Polystyrol, Acryl- oder Alkydharze, haben den Nachteil, dass sie weiterhin mit einer flüssigen, vollständig polymerisierbaren Lösung imprägniert werden müssen, wie z. B. mit einem Polyesterharz in monomerem Styrol gelöst. Diese Imprägnierung erfordert ebenfalls ein sehr hohes Vakuum. Ausserdem ist es unerlässlich, die vollständig polymersierbare Lösung bei Temperaturen unter Null Grad aufzubewahren.
Wenn man von Polyepoxyden ausgeht, sind zusätzliche Imprägnierungen für die erhaltenen Bänder nicht erforderlich. Man erhält aber Isolierungen mit in der Wärme schlechten dielektrischen Eigenschaften.
In der USA-Patentschrift Nr. 2, 594,096 wird ein Verfahren zur Behandlung von Wicklungen mit vollständig reaktionsfähigen Mischungen beschrieben. Dieses Verfahren besteht darin, dass eine Spule gewickelt wird, welche in fertiggewickeltem Zustand in ein Bad aus Monomeren getaucht wird. Unmittelbar hierauf wird Strom durch die Spule geschickt und diese dadurch erhitzt, so dass das Monomer unmittelbar an den Windungen zum Gelieren gebracht wird. Die Spule wird hierauf aus dem Bad herausgenommen, das überschüssige Monomer wird abtropfen gelassen und das an der Spule verbleibende Gel, welches in den üblichen Lösungsmitteln sowie im Monomer unlöslich ist, wird entweder unmittelbar hierauf oder später durch Erhitzen der Spule, d. h. indem ein Strom durchgeführt wird, fertig polymerisiert.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nun ein härtbares Isoliermittel zur Elektroisolierung von Vorrichtungen, insbesondere für elektrische Maschinen, besonders für Statorteile von Motoren, welches aus einer Glimmerlage besteht. die mit Hilfe eines harzartigen Bindemittels auf einem biegsamen Träger aufgebracht ist, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass das harzartige Bindemittel ein Präpolymerisat eines monomeren, ungesättigten Esters, insbesondere eines Allylesters, gegebenenfalls zusammen mit einem monomeren, ungesättigten Ester und weiterhin im Bedarfsfalle einen Polymerisationskatalysator enthält.
Es ist bekannt, dass solche Harze bei verhältnismässig niedrigen Temperaturen durch Polymerisation
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samen Träger mit Hilfe von Polyesterharz aufgeklebt, welches ihn infolge seiner anschliessenden Härtung in unzerstörbarer Form auf dem erwähnten elastischen Träger bindet.
Die Herstellung und die Polymerisation der Polyester sind an sich schon bekannt.
Die Allyl-Polyester sind unter dem Einfluss gewisser Katalysatoren polymerisierbar, weil sie ÄthylenDoppelbindungen enthalten, welche durch den Allylalkohol oder die Maleinsäure (oder ihre Homologen) eingebracht sind. Es sind gewöhnlich Flüssigkeiten mit schwachem Geruch. Sie sind wenig flüchtig. Unter dem Einfluss gewisser Katalysatoren und Wärme oder unter dem gemeinsamen Einfluss eines Katalysators und Wärme wandeln sie sich in harte harzartige Stoffe um, die mehr oder weniger steif, unschmelzbar und unlöslich sind.
Es wurde nun gefunden. dass es bei der Durchführung vorliegender Erfindung vorzuziehen ist, die Polymerisation der Allylgruppen enthaltenden Monomeren nur einzuleiten, um noch lösliche und schmelzbare Präpolymerisate zu erhalten.
Um die Mischung auf der Grundlage des Polyesterharzes vor dem Aufbringen auf den biegsamen Träger des Bandes zu bilden, wird das Allylgruppen enthaltende Präpolymerisat in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst, z. B. in Aceton, Äthylacetat, Kohlenwasserstoffen usw. Es empfiehlt sich auch, einen Teil des monomeren Esters hinzuzusetzen, in einer Menge je nach der erforderlichen Geschmeidigkeit des Bandes (im allgemeinen 5-500/0), denn das Monomer spielt die Rolle eines härtbaren Plastifizierungsmittels. Das Monomer kann chemisch von der gleichen Art wie das Präpolymerisat, oder der verschiedenen Mischungen oder davon verschieden sein, d. h. es kann aus derselben oder einer andern Polysäure hergestellt sein.
Man kann auch die Geschmeidigkeit des endgültigen Bandes, selbst nach der endgülti- gen Härtung, ändern, wenn man in geeigneter Weise auf die Natur des verwendeten Polyesters, des Präpolymerisates oder des Monomers Rücksicht nimmt, denn es wurde gefunden, dass die Polysäuren mit langer Kette (wie die Adipin- und Sebacinsäure) nach der Polymerisation geschmeidige Harzprodukte ergeben.
Die Katalysatoren für die Präpolymerisation und schliessliche Härtung können sein : Wasserstoffperoxyd, Bortrifluorid und ihre Komplexverbindungen, organische Peroxyde, wie z. B. Benzoyl-, tert. Butyl-, Dicyklohexyl-, Methyl-äthyl-keton-peroxyd usw. Diese Aufzählung soll keine Beschränkung sein. Der verwendete Katalysator wird in einer Menge von 0,2 bis 5 Gel.-% des polymerisierbaren harzartigen Bindemittels verwendet (das Lösungsmittel nicht mitgerechnet).
Der Lack des härtbaren Polyesters, der dem Katalysator zugesetzt wurde, wird dann mit einem geeigneten Werkzeug auf einen geeigneten, biegsamen Träger aufgebracht. Der plättchenförmige Glimmer oder das Papier aus regeneriertem Glimmer wird unter Druck autgebracht und das Ganze in einem Ofen bei einer geeigneten Temperatur getrocknet. Die Konzentration des Lackes und die Einstellung der zum Auftragen des erwähnten Harzes dienenden Apparatur sind so beschaffen, dass eine solche Menge des harzartigen Bindemittels aufgetragen wird, dass das fertige Band 20- 50go an harzförmigem Bindemittel, bezogen auf das Gesamtgewicht des Bandes, enthält.
Das Trocknen des Bandes erfolgt bei einer solchen Temperatur (50-1300) und während einer solchen Zeit (5-30 Minuten), dass das Lösungsmittel des Lackes verdunstet wird, dass jedoch das harzartige Bindemittel noch nicht endgültig gehärtet wird. Die Härtung wird erst im geeigneten Zeitpunkt im Trockenschrank oder unter dem Einfluss Joule'scher Wärme bewirkt, sobald die Isolierung auf den Leiter der elektrischen Maschine aufgebracht worden ist.
Zur Erläuterung, nicht zur Beschränkung, werden einige Beispiele für die Herstellung des Isolierbandes gegeben :
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<tb>
<tb> Präpolymerisat <SEP> von <SEP> Diallylphthalat <SEP> 100 <SEP> g
<tb> Monomeres <SEP> Diallylmaleinat <SEP> 30 <SEP> g
<tb> Benzoylperoxyd <SEP> 1, <SEP> 3 <SEP> g
<tb> Aceton <SEP> g
<tb>
Diese Lösung dient zum Bestreichen eines Japanpapieres von 0, 03mm Dicke und einem Gewicht von.
15 g pro Quadratmeter. Auf das Papier bringt man eine Schicht von indischem Spaltglimmer, dann ein zweites Japanpapier von derselben Art wie das erste. Das Ganze schickt man durch einen Walzenkalander, der den Überschuss des Lackes herausdrückt und bringt es dann in einen Ofen, wo es dann 4 Minuten lang auf 700 erhitzt wird. Eine Entluftungsvorrichtung entfernt die Acetondämpfe, die sich beim Eintrocknen des Lackes gebildet haben. Das getrocknete Band wird dann aufgerollt. Die Kalanderwalze ist so einge- stellt, dass 40% des Gemisches in dem fertigen Bande bleiben.
Die Präpolymerisation des Diallylphthalats wurde durch Erhitzen von 100 g des Diallylphthalats und
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1 g Benzoylperoxyd während 4 Stunden auf 900 durchgeführt, dann wurde das viskose Produkt in Aceton gelöst, das Präpolymerisat mit Äthylalkohol gefällt und das Ausgefallene getrocknet.
B eispiel 2 : Man stellt unter Rühren in der Kälte folgende Lösung her :
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<tb>
<tb> Präpolymerisat <SEP> von <SEP> Diallylphthalat <SEP> 100 <SEP> g
<tb> Monomeres <SEP> Diallyladipinat <SEP> 30 <SEP> g
<tb> Cyklohexanonperoxyd <SEP> 0,7 <SEP> g
<tb> Aceton <SEP> 400 <SEP> g
<tb> Butylacetat <SEP> 575 <SEP> g
<tb>
Diese Lösung dient zum Einstreichen von Japanpapier einer Dicke von 0, 03 mm und eines Gewichtes von 15 g pro Quadratmeter.
Man bringt dann ein Papier aus regeneriertem Glimmer mit einem Gewicht von 90 g pro Quadratmeter auf. Dps Ganze schickt man durch einen Walzenkalander, der den Überschuss des Lackes herauspresst, erhitzt es dann 4 Minuten lang bei einer Temperatur von 700 in einem Ofen. Die Einstellung des Walzenkalanders ist so beschaffen, dass er 35% des Gemisches in dem Band belässt.
Be is pie 1 3 : Man stellt durch längeres Rühren in der Kälte folgende Lösung her :
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<tb>
<tb> Präpolymerisat <SEP> von <SEP> Diallylmaleinat <SEP> 50 <SEP> g
<tb> Präpolymerisat <SEP> von <SEP> Diallyladipinat
<tb> gelöst <SEP> zu <SEP> 80% <SEP> in <SEP> Methyl-iscbutylketon <SEP> 100 <SEP> g <SEP>
<tb> Monomeres <SEP> Diallylphthalat <SEP> 25 <SEP> g
<tb> Benzoylperoxyd <SEP> 1 <SEP> g
<tb> Aceton <SEP> 975 <SEP> g
<tb>
Diese Lösung dient zum Einstreichen eines Glasgewebes mit einer Dicke von 0,03 mm und einem Gewicht von 30 g pro Quadratmeter. Darauf bringt man dann mit einer Kalanderrolle Papier aus regeneriertem Glimmer, welches 120 g pro Quadratmeter wiegt. Das Ganze wird 4 Minuten lang in einem Ofen auf 700 erhitzt. Der Abstand der Kalanderwalzen ist so eingestellt, dass er 40% des Gemisches in dem fertigen Band belässt.
Zur Herstellung der Lösung des Vorpolymerisates vonDiallyladipinat erhitzt man 48 Stunden lang bei 11So :
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<tb>
<tb> Diallyladipinat, <SEP> rein <SEP> (destilliert) <SEP> 250 <SEP> g
<tb> Methylisobutylketou <SEP> 250 <SEP> g
<tb> Cumolhydroperoxyd <SEP> zig <SEP> 20 <SEP> g
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Die Viskosität der Lösung ändert sich von ungefähr 5 bis 25 Centipoise. Die Lösung wird so ohne vorhergehende Ausfällung des Vorpolymerisates verwendet.
Einer der Hauptvorteile vorliegender Erfindung in bezug auf den Stand der Technik besteht darin, dass man bei der Anwendung die Geschwindigkeit, mit der das harzförmige wärmehärtbare Bindemittel aushärtet, genau regulieren kann, indem man dip Menge des Härtungskatalysators variiert.
Das wie oben beschrieben hergestellte Band kann, wie sonst bei der Herstellung elektrischer Geräte üblich, an seinen Platz gebracht werden : durch Aufrollen als Hülle, kalt oder warm oder durch schraubenförmiges Umwickeln, wobei jede Wicklung des Bandes zur Hälfte auf die vcrangehenae gelegt wird, was kalt oder warm geschehen kann.
Die so isolierten Leiter können unter Luftleere bei Temperaturen zwischen der gewöhnlichen Temperatur und 1500 getrocknet werden, um die letzten Spuren an Feuchtigkeit und Lösungsmittel zu entfernen. Diese Arbeit kann vorteilhafterweise in einem geschlossenen Gefäss ausgeführt werden.
Um zu einem so gering wie möglichen Verlustfaktor zu kommen, empfiehlt es sich, die in der Isolierung eingeschlossene Luft zu entfernen. Zu diesem Zweck muss man auf die Isolierung, nachdem man sie unter Luftleere gebracht hat, einen Druck ausüben, dies ohne dass die Leiter unter atmosphärischem Druck der Luft ausgesetzt werden.
Die Anwendung von Druck kann auf mechanischem Wege mit Hilfe einer heissen Presse, mit oder ohne Verwendung von Luftleere erfolgen. Im Falle der Anwendung von Luftleere vor oder während der Ausübung des Druckes wird dann die Presse in einen abgeschlossenen Raum, wo man sie unter etn kräftiges Vakuum setzen kann, angeordnet.
Die Anwendung von Druck kann auch durch eme Flüssigkeit, welche vorteilhafterweise eine genügend hohe Viskosität hat, um in die Isolierung einzudringen, ausgeübt werden.
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Diese Flüssigkeit kann auch mit Vorteil als Wärmeübertra3er dienen. Als flüssigen Übertrager von Druck und Wärme kann man verwenden : Teer oder geschmolzenen Asphalt, neutrale Harze von der Art des Indens oder Cumarons, neutrale Harze von-der Art des Polyäthylen oderPolyisobutylens, Wachse, Paraffine oder Fette mit hohem Schmelzpunkt, Mischungen verschiedener Harze, Wachse oder Teer, die zur Erlangung einer geeigneten und genügend hohen Viskosität eingestellt sind, damit sie nicht in die zusammengebrachten Schichten des Isolierbandes eindringen können.
Es ist noch zu betonen, dass die Isolierung, wenn das Isolierband, wie oben beschrieben, 20-50go an harzförmigem Bindemittel enthält, nicht unter Luftleere mit Hilfe einer flüssigen, harzförmigen, völlig polymerisierbaren Mischung, z. B. mit einer Lösung von Maleinharzen in Styrol usw., imprägniert zu werden braucht. Man kann dann ein billigeres und weniger kostspieliges Material verwenden. Diese flüssigen härtbaren Mischungen werden bei tiefen Temperaturen (unterhalb 00) aufbewahrt, um ihre für eine gute Imprägnierung geeignete Beschaffenheit aufrechtzuerhalten.
Die Leiter in elektrischen Maschinen, welche entsprechend vorliegender Erfindung imprägniert sind, haben folgende Vorteile :
1. Wie die folgende Tabelle und die beigefügte graphische Darstellung zeigen, ist der Verlustfaktor in der Kälte und in der Wärme viel geringer als bei bekannten Isolationsmitteln.
Tabelle
Dielektrizitätswerte bei 4 kV/mm
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<tb>
<tb> Isolierung <SEP> mit <SEP> Band <SEP> aus <SEP> Isolierung <SEP> mit <SEP> synthetischem <SEP> Band,
<tb> Asphalt <SEP> hergestellt <SEP> nach <SEP> Beispiel <SEP> 1
<tb> Temperatur <SEP> Grad <SEP> Celsius <SEP> 200 <SEP> 800 <SEP> 1200 <SEP> 200 <SEP> 800 <SEP> 120u <SEP>
<tb> Tangens <SEP> des <SEP> Verlustwinkels <SEP> tg <SEP> # <SEP> 0,034 <SEP> 0,078 <SEP> 0,198 <SEP> 0,027 <SEP> 0,054 <SEP> 0,070
<tb> Spez. <SEP> Induktionskraft <SEP> # <SEP> 3,3 <SEP> 4,0 <SEP> 4,9 <SEP> 3,2 <SEP> 3,6 <SEP> 4,1
<tb> Verlustfaktor <SEP> Sty6 <SEP> 0, <SEP> 112 <SEP> 0, <SEP> 312 <SEP> 0,97 <SEP> 0, <SEP> 086 <SEP> 0, <SEP> 194 <SEP> 0. <SEP> 287
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Auf der graphischen Darstellung sind die Werte für tgss als Ordinaten und die Spannungen in Kilovolt als Abszissen eingetragen.
Die Fig. 1 zeigt die Kurven, welche man bei den Temperaturen des Iso1ierungsmittels von 20,80 und 1200 bei der Isolierung mit dem bekannten Asphaltband erhält.
Die Fig. 2 zeigt die entsprechenden Kurven mit einem Glimmerband, entsprechend der Erfindung.
Die Dielektrizitätsverluste, gemessen bei 1200, sind etwa dreimal geringer bei der neuen Isolierung als bei der Isolierung mit dem Asphaltband.
2. Bei der Isolierung mit einem Band, entsprechend der Erfindung, überschreitet der Faktor tgö pro Kilovolt und bei 1200 niemals den Wert 0, 001.
3. Wenn man eine Isolierung mit dem neuen Band frei 24 Stunden lang bei einer Temperatur von 1200 behandelt, ist die Aufschwellung praktisch Null, während eine Isolierung mit einem Asphaltband unter den gleichen Bedingungen sich um 0,5 mm aufblähen kann.
4. Die Dielektrizitätskraft einer mit dem neuen Band hergestellten Isolierung ist bei 1200 gemessen der überlegen, welche man unter den gleichen Bedingungen gemessen bei einer Isolierung mit dem Asphaltband erhält.
5. Im Verhältnis zu den üblicherweise verwendeten Bändern ist die Empfindlichkeit des neuen Bandes gegenüber Feuchtigkeit viel geringer.
6. Die mechanische Widerstandsfähigkeit ist besser.
PATENTANSPRÜCHE :
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eines harzartigen Bindemittels auf einem biegsamen Träger aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass das harzartige Bindemittel ein Präpolymerisat eines monomeren, ungesättigten Esters, insbesondere eines Allylesters, gegebenenfalls zusammen mit einem monomeren, ungesättigten Ester und weiterhin im Bedarfsfalle einen Polymerisationskatalysator enthält.