Verfahren zum flüssigkeitsdichten und elektrisch isolierenden Einbetten von stromführenden Leiterbündeln Es ist bekannt, elektrische Leiterbündel in Kunst harzmassen einzubetten. Man erzielt damit eine ver besserte Isolation und einen Schutz gegen mechani sche Beschädigungen und gegen die Einwirkung von Feuchtigkeit und Staub. Für Leiterbündel, die keinen starken Temperaturschwankungen und Überlastungen ausgesetzt sind, wie beispielsweise für Messwandler, genügen in vielen Fällen die bisher verwendeten Ein bettmassen.
Es sind aber noch keine Kunstharz massen oder Kombinationen solcher bekannt gewor den, welche für Leiterbündel verwendet werden kön nen, die im Temperaturbereich von etwa -10 bis 120 und die bei kurzzeitiger LUberlastung einen ein wandfreien Betrieb gewährleisten. Diese Betriebs anforderungen werden in erster Linie an Leiterbündel der Wicklung von Elektromotoren und Transforma toren gestellt. Die infolge der Temperaturunter schiede und Überbelastung auftretenden verschiede nen Wärmeausdehnungen und Bewegungen der ein zelnen Leiter erfordern daher die Verwendung von Einbettmassen, welche keine die Isolation schädigen den Risse oder Undichtigkeiten erleiden..
Es wurde nun ein Verfahren zum Einbetten von elektrischen Leiterbündeln gefunden, wobei die so eingebetteten Leiterbündel Temperaturen von -10 bis 120 ohne irgendwelche Schäden während kur zer oder monatelanger dauernder Beanspruchung und auch kurzzeitige Überbelastungen aushalten und die zugleich völligen Schutz gegen das Eindringen von Feuchtigkeit und genügenden Schutz gegen mechanische Einflüsse besitzen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum flüssigkeitsdichten und elektrisch isolierenden Einbetten von stromführenden Leiter bündeln, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die Leiterbündel mit einem dünnflüssigen Gemisch aus einem härtbaren Harz und einem Härter imprägniert werden und das Harz mindestens teilweise ausge härtet wird, dass alsdann um die imprägnierten Lei terbündel eine mittlere Schicht aufgetragen wird, wel che mindestens teilweise aus einem bei der Härtung in einen elastischen und porenfreien Zustand über gehenden Harz besteht,
und das Harz ausgehärtet wird, und dass schliesslich ein Gemisch .aus einem bei der Härtung hart werdenden Harz und einem Härter als äussere Schicht aufgebracht und ausgehär tet wird.
Als härtbare, im gehärteten Zustand elastische oder harte Kunststoffe bildende Harze können die bekannten, sowohl hitze- als auch bei Raumtempe ratur härtbaren Kunstharze, wie Polyester-, Poly- urethan-, Epoxyharze oder Aminoplaste, verwendet werden. Besonders geeignet sind Epoxyharze, da sie ihre guten elektrischen Eigenschaften auch bei hohen Temperaturen beibehalten.
Zur Imprägnierung der elektrischen Leiter ver wendet man vorteilhafterweise ein flüssiges, vorzugs weise ein bereits bei Zimmertemperatur flüssiges Epoxyharz-Härter-Gemisch. Als Epoxyharz eignet sich beispielsweise ein in bekannter Weise durch Um setzen von 1 Mol 4,4'-Dioxy-diphenyldimethylmethan und 4-6 Mol Epichlorhydrin in Gegenwart von Alkali erhaltenes Harz mit einem Gehalt an Epoxy- gruppen zwischen 4 und 5;
5 Grammäquivalenten pro kg. Als Härtungsmittel verwendet man in der Regel ein Polycarbonsäureanhydrid, wie Phthalsäureanhy- drid, oder vorzugsweise ein Gemisch von Polycar- bonsäureanhydriden.
Für die Bildung der mittleren Schicht verwendet man vorteilhafterweise ein in vorzugsweise pastenför- miger Konsistenz vorliegendes Gemisch aus einem aus 4,4'-Dioxy-diphenyldimethyhnethan hergestellten Epoxyharz und einem oder mehreren Vernetzungs mitteln, deren reaktionsfähige Gruppen durch eine längere, vorzugsweise mehr als etwa 10 Glieder auf weisende, und gegebenenfalls unterbrochene,
Kohlen- stoffkette voneinander getrennt sind. Als solche Ver netzungsmittel eignen sich monomere oder vorzugs weise polymere Verbindungen mit beispielsweise endständigen Carboxyl-, Hydroxyl-, Carbonamid-, Amino- oder Isocyanatgruppen oder Verbindungen, welche ausserdem noch innerhalb der Kette reaktions fähige Gruppen wie sekundäre und tertiäre Amino- oder Imidogruppen besitzen.
Als Beispiele solcher Verbindungen seien Polyester mit endständigen Säure- oder Hydroxylgruppen, Gemische von Poly- alkylenglykolen mit Polycarbonsäureanhydriden und Polyamide aus dimerisierten Fettsäuren und aliphati- schen Polyaminen genannt.
Für die Bildung der äussern Schicht werden als Harze vorteilhafterweise schon bei Raumtemperatur oder erst bei erhöhter Temperatur flüssige, aus 4,4'- Dioxy-diphenyldimethylmethan hergestellte Epoxy- harze mit einem Epoxydgehalt zwischen 2 und 5,5, vorzugsweise zwischen 4,6-5,3 Grammäquivalenten pro kg verwendet. Als Härtungsmittel werden vorteil- hafterweise Polycarbonsäureanhydride verwendet.
Die Epoxyharze können auch Pigmente, Streck mittel, Modifizierungsmittel oder Weichmacher ent halten. Die Zugabe von solchen Produkten ist aller dings für das Imprägnierharz nicht in allen Fällen empfehlenswert, da unter Umständen dadurch die Isoliereigenschaften verschlechtert werden. Bei der äussern, harten Schicht wird vorzugsweise ein Streck mittel zugegeben, während die Zugabe eines Weich machers für diese Schicht zweckmässigerweise unter bleibt.
An Hand der beiliegenden Zeichnungen werden einige Anwendungen des Verfahrens gemäss der Er findung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein nach dem Verfahren hergestellter Stator eines Elektromotors, insbesondere eines Un terwassermotors, in perspektivischer Darstellung teil weise im Schnitt, Fig. 2 ein Detail der Fig. 1 in grösserem Mass stab, Fig. 3 eine freitragende Spule, beispielsweise eine Transformatorwicklung.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 bezeichnet 1 den lamellierten Magnetkern eines Sta- tors für einen Unterwassermotor. In den nicht näher dargestellten Nuten des Magnetkernes ist die Wick lung 2, bestehend aus unter sich isolierten Drähten 4, angeordnet. Die Isolation dieser Drähte kann dabei z. B. aus Baumwolle, Seide, Lack oder ande rem Isolationsmaterial bestehen. Die über den Kern 1 vorstehenden Stirnverbindungen sind mittels Ban dagen in einer den räumlichen Verhältnissen ange passten Form, und die Wicklungen selbst durch nicht gezeichnete Keilstücke in den Nuten gehalten.
Das Ganze ist durch eine im gehärteten Zustand harte, äussere Schicht 3 gegen äussere Einflüsse und herme tisch gegen das Eindringen von Flüssigkeit geschützt.
In Fig. 3 bedeutet 2 die Spulenwicklung, die aus einzelnen, unter sich isolierten Drähten 4 auf gebaut ist und 3 stellt die im gehärteten Zustand harte, äussere Schicht dar.
In allen Figuren stellt 5 die mittlere, im gehärte ten Zustand elastische Schicht dar.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird zweck mässig wie folgt durchgeführt: Der fertigmontierte Wickelkörper, welcher bei spielsweise die Wicklung eines Stators oder einer Spule sein kann, wird mit einem bei der Verarbei tungstemperatur dünnflüssigen, härtbaren Harz-Här- ter-Gemisch imprägniert. Dabei ist es zweckmässig, diese Imprägnation unter Vakuum vorzunehmen und dazu ein Epoxyharz-Härter-Gemisch zu verwenden, welches bei erhöhter Temperatur, beispielsweise bei 60 C, mindestens teilweise härtet.
Eine vollständige Aushärtung des Imprägnierharzes ist nicht erforder lich, sie kann gemeinsam beim Aushärten der äussern, harten Schicht erfolgen. Durch diese Imprägnation erfahren die einzelnen Isoliermaterialien, wie Faser stoffe oder Papiere, eine Verstärkung ihrer Isolier- eigenschaften und gleichzeitig wird das Eindringen von Feuchtigkeit in die Isolation vermieden. Durch die Verwendung eines dünnflüssigen Imprägniermit tels werden alle Drähte und Zwischenräume mit dem Imprägniermittel getränkt und vorhandene uner wünschte Poren geschlossen.
Nach dieser Imprägnation wird eine vorzugsweise 1-5 mm dicke Schicht 5, enthaltend ein im gehär teten Zustand elastisch bleibendes Harz, rings um die vorstehenden Stirnverbindungen der Statorwicklung bzw. der Spulenwicklung aufgetragen.
Nach der vollständigen Aushärtung der mittleren elastischen Schicht 5 werden die Wickelkörper in eine zweckmässig konstruierte Giessform so eingelegt, dass das im gehärteten Zustand harte Epoxyharz 3 um den Wickelkörper gegossen werden kann. Das Giessen dieser äussern Schicht erfolgt bei einer Tem peratur, die etwa 10 bis 20 C höher liegt als die Temperatur, bei welcher die elastische Schicht 5 pla stisch wird. Dadurch wird erreicht, dass die äussere Schicht 3, die im gehärteten Zustand praktisch un elastisch ist, mit der mittleren, elastischen Schicht 5 eine innige Verbindung eingeht. Das Harzgemisch wird bei erhöhter Temperatur, beispielsweise bei <B>130 </B> C, gegossen und härtet bei dieser Temperatur ohne Abspaltung flüchtiger Bestandteile aus.
Das Giessen der äussern Schicht hat bei der Herstellung von wasserdichten Elektromotoren derart zu erfol gen, dass auch die nach innen gerichtete Fläche des Statorblechpaketes und die Nuten mit einer dünnen Schicht Harzmischung versehen sind. Dadurch wird der Stator und die Wicklung mit einer hermetisch schliessenden Umhüllung versehen, welche den innern, aktiven Teil gegen äussere Einflüsse schützt. Zur Vermeidung unerwünschter Blasen und Lunker ist es zweckmässig, wenn das Giessen der äussern Schicht 3 unter Vakuum erfolgt.
Die nach dem beschriebenen Verfahren herge stellte Einbettmasse um stromführende Leiterbündel hat bei der Prüfung ergeben, dass sie vollständig flüssigkeitsdicht und elektrisch gut isolierend ist und dass sie ohne Schaden den bei der elektrischen Prü fung und im Betrieb auftretenden mechanischen Kräf ten widersteht.
Die mittlere, elastische Schicht 5 nimmt dabei die durch Temperaturerhöhung beding ten Volumenänderungen und die durch elektrodyna mische Kräfte verursachten Lageverschiebungen der Wicklungen und Drähte auf und gibt den einzelnen Drähten eine der Elastizität des Schichtstoffes ent sprechende Bewegungsmöglichkeit. Es hat sich weiterhin gezeigt, dass selbst im Falle einer Rissbil- dung in der äussern, harten Schicht das Isolations vermögen und die Schutzwirkung der Einbettmasse nicht beeinträchtigt wird, weil die Leiterbündel durch die elastische Schicht 5 noch genügend ge schützt bleiben.
Process for the liquid-tight and electrically insulating embedding of current-carrying conductor bundles It is known to embed electrical conductor bundles in synthetic resin compounds. This achieves improved insulation and protection against mechanical damage and against the effects of moisture and dust. For conductor bundles that are not exposed to strong temperature fluctuations and overloads, such as for instrument transformers, the embedding compounds used up to now are sufficient in many cases.
But there are still no synthetic resin masses or combinations of those known that can be used for bundles of conductors that can be used in the temperature range from about -10 to 120 and that ensure perfect operation in the event of brief overload. These operating requirements are primarily placed on wire bundles in the windings of electric motors and transformers. The various thermal expansions and movements of the individual conductors that occur as a result of the temperature differences and overloading therefore require the use of investment materials that do not damage the insulation and cause cracks or leaks.
A method has now been found for embedding electrical conductor bundles, whereby the conductor bundles embedded in this way can withstand temperatures of -10 to 120 without any damage during short or months-long stress and also short-term overloads and at the same time provide complete protection against the ingress of moisture and sufficient Have protection against mechanical influences.
The present invention relates to a method for the liquid-tight and electrically insulating embedding of current-carrying conductors bundle, which is characterized in that the conductor bundles are impregnated with a thin mixture of a curable resin and a hardener and the resin is at least partially cured that then a middle layer is applied around the impregnated conductor bundle, which consists at least partially of a resin that changes to an elastic and pore-free state during curing,
and the resin is cured, and that finally a mixture of a resin that hardens during curing and a hardener is applied as the outer layer and cured.
The known synthetic resins which can be hardened both by heat and at room temperature, such as polyester, polyurethane, epoxy resins or aminoplasts, can be used as hardenable resins which form elastic or hard plastics in the hardened state. Epoxy resins are particularly suitable because they retain their good electrical properties even at high temperatures.
For the impregnation of the electrical conductors ver advantageously a liquid, preferably a liquid epoxy resin-hardener mixture already at room temperature is used. A suitable epoxy resin is, for example, a resin obtained in a known manner by putting 1 mole of 4,4'-dioxy-diphenyldimethylmethane and 4-6 moles of epichlorohydrin in the presence of alkali and having an epoxy group content between 4 and 5;
5 gram equivalents per kg. A polycarboxylic anhydride, such as phthalic anhydride, or preferably a mixture of polycarboxylic anhydrides, is generally used as the hardening agent.
For the formation of the middle layer it is advantageous to use a mixture, preferably in a pasty consistency, of an epoxy resin made from 4,4'-dioxy-diphenyldimethylethane and one or more crosslinking agents whose reactive groups are characterized by a longer, preferably more than about 10 Links with pointing, and possibly interrupted,
Carbon chains are separated from each other. Suitable such crosslinking agents are monomeric or preferably polymeric compounds with, for example, terminal carboxyl, hydroxyl, carbonamide, amino or isocyanate groups or compounds which also have reactive groups such as secondary and tertiary amino or imido groups within the chain.
Examples of such compounds are polyesters with terminal acid or hydroxyl groups, mixtures of polyalkylene glycols with polycarboxylic acid anhydrides and polyamides made from dimerized fatty acids and aliphatic polyamines.
For the formation of the outer layer, the resins used are advantageously liquid epoxy resins produced from 4,4'-dioxy-diphenyldimethylmethane with an epoxy content between 2 and 5.5, preferably between 4.6-5, at room temperature or only at elevated temperature , 3 gram equivalents per kg used. Polycarboxylic anhydrides are advantageously used as curing agents.
The epoxy resins can also contain pigments, extenders, modifiers or plasticizers. However, the addition of such products is not recommended in all cases for the impregnation resin, as this may impair the insulating properties. In the case of the outer, hard layer, an extender is preferably added, while the addition of a plasticizer is expediently omitted for this layer.
Some applications of the method according to the invention are explained in more detail with reference to the accompanying drawings. 1 shows a stator of an electric motor produced by the method, in particular an underwater motor, in a perspective view, partly in section, FIG. 2 shows a detail of FIG. 1 on a larger scale, FIG. 3 shows a self-supporting coil, for example a transformer winding.
In the embodiment according to FIGS. 1 and 2, 1 denotes the laminated magnetic core of a stator for an underwater motor. In the not shown grooves of the magnetic core, the Wick treatment 2, consisting of wires 4 insulated from one another, is arranged. The insulation of these wires can, for. B. made of cotton, silk, paint or other insulation material. The end connections protruding over the core 1 are held in the grooves by means of ban dagen in a form adapted to the spatial conditions, and the windings themselves are held in the grooves by wedge pieces not shown.
The whole thing is protected by an outer layer 3, which is hard in the hardened state, against external influences and hermetically against the ingress of liquid.
In Fig. 3, 2 means the coil winding, which is built from individual wires 4 insulated from each other and 3 represents the outer layer, which is hard in the hardened state.
In all figures, 5 represents the middle layer, which is elastic in the hardened state.
The method according to the invention is expediently carried out as follows: The fully assembled winding body, which can be the winding of a stator or a coil, for example, is impregnated with a hardenable resin-hardener mixture which is thin at the processing temperature. It is advisable to carry out this impregnation under vacuum and to use an epoxy resin-hardener mixture which at least partially hardens at an elevated temperature, for example at 60.degree.
Complete hardening of the impregnation resin is not required; it can take place together when the outer, hard layer is hardened. As a result of this impregnation, the individual insulating materials, such as fiber materials or paper, reinforce their insulating properties and at the same time prevent moisture from penetrating the insulation. By using a thin-bodied Imprägniermit means, all wires and spaces are soaked with the impregnating agent and existing unwanted pores are closed.
After this impregnation, a preferably 1-5 mm thick layer 5, containing a resin that remains elastic in the hardened state, is applied around the protruding end connections of the stator winding or the coil winding.
After the middle elastic layer 5 has completely cured, the wound bodies are placed in a suitably constructed casting mold in such a way that the epoxy resin 3, which is hard in the cured state, can be cast around the wound body. This outer layer is poured at a temperature that is about 10 to 20 C higher than the temperature at which the elastic layer 5 becomes pla stic. This ensures that the outer layer 3, which is practically unelastic in the hardened state, enters into an intimate connection with the middle, elastic layer 5. The resin mixture is poured at an elevated temperature, for example at 130 C, and cures at this temperature without splitting off volatile constituents.
In the manufacture of waterproof electric motors, the outer layer has to be poured in such a way that the inward-facing surface of the laminated stator core and the grooves are also provided with a thin layer of resin mixture. As a result, the stator and the winding are provided with a hermetically sealed casing that protects the inner, active part against external influences. To avoid unwanted bubbles and cavities, it is useful if the outer layer 3 is poured under vacuum.
During the test, the investment made around current-carrying conductor bundles produced according to the method described showed that it is completely impervious to liquids, has good electrical insulation and that it can withstand the mechanical forces occurring during electrical testing and operation without damage.
The middle, elastic layer 5 absorbs the volume changes caused by the increase in temperature and the positional shifts of the windings and wires caused by electrodynamic forces and gives the individual wires a possibility of movement corresponding to the elasticity of the laminate. It has also been shown that even if cracks form in the outer, hard layer, the insulation capacity and the protective effect of the embedding compound are not impaired, because the conductor bundles are still adequately protected by the elastic layer 5.