CH698766B1 - Eingiessteil und Bauteil mit derartigem Eingiessteil. - Google Patents

Abstract

Ein Eingiessteil (20) zur Herstellung von Bauteilen (10) für die Mittel- und Hochspannungstechnik besteht aus einem rotationssymmetrischen, buchsenförmigen Basisteil mit einem radial aufgeweiteten Endabschnitt, dessen umlaufender Rand (22) radial abgerundet und gegebenenfalls nach aussen auskragend ausgeführt ist. Damit der Eingiessteil (20) fehlerfrei mittels Vakuumguss, Druckguss oder Spritzguss in eine isolierende Matrix (30) eingebettet werden kann und der entstehende Bauteil (10) eine rissfreie und ablösungsfreie Anbindung bzw. Umhüllung des Isolierstoffes (30) an den metallischen Eingiessteil (20) aufweist, ist der umlaufende Rand (22) des Endabschnittes in Richtung auf die Achse des Eingiessteils (20) hin gekrümmt und weist eine umlaufende, sich radial nach aussen hin öffnende Hinterschneidung (21) auf den Basisteil hinauf, deren innere Wandung (21a) abgerundet in einen radial innenliegenden, umlaufenden, ringförmigen Stirnrand (23) übergeht, dessen äussere, der Hinterschneidung (21) zugewandte Begrenzungsfläche (21b) mit der Achse einen Winkel zwischen 5° und 90° einschliesst, wobei der Stirnrand (23) axial vom auskragenden, umlaufenden Rand (22) überragt ist.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft einen Eingiessteil zur Herstellung von Bauteilen für die Mittel- und Hochspannungstechnik durch ablösungsfreie Umhüllung mit einem Isoliermaterial, vorzugsweise einem Duromer, bestehend aus einem rotationssymmetrischen, buchsenförmigen Basisteil mit einem radial aufgeweiteten Endabschnitt, dessen umlaufender Rand radial abgerundet und gegebenenfalls nach aussen auskragend ausgeführt ist, sowie einen Bauteil für die Mittel- und Hochspannungstechnik, bestehend aus einem rotationssymmetrischen Eingiessteil mit einer Umhüllung aus einem Isoliermaterial.

[0002] Eingiessteile werden beispielsweise in der Mittel- und Hochspannungstechnik als Stromleiter oder Elektrode eingesetzt. Dabei sind sie zur Isolation in einem vorzugsweise duromeren Isolierstoff eingebettet, etwa einem Epoxyharz. Eingiessteil und umhüllendes Isoliermaterial werden zu Bauteilen verarbeitet, beispielsweise Kabelendverschlüssen, Buchsen, Stecker, Durchführungen oder auch Schottisolatoren. Zur einwandfreien Funktion solcher Bauteile müssen die geforderten Isoliereigenschaften gewährleistet sein, insbesondere darf der Bauteil nur geringe Teilentladung aufweisen. Daher müssen lokale elektrische Feldstärkeüberhöhungen vermieden werden. Die Feldstärke wird einerseits durch die Gestaltung des Bauteils bestimmt, andererseits durch die Homogenität des Isoliermaterials, welches den metallischen Eingiessteil umhüllt. Bei der Umhüllung des Eingiessteils mit einem duromeren Isoliermaterial tritt Schwindung des Isoliermaterials auf, welche mit den einhergehenden mechanischen Schwindungsspannungen Risse im Isolierstoff selbst oder Ablösungen des Isolierstoffes von dem Leitermaterial bewirken. Diese Risse oder Ablösungen des Isoliermaterials vom metallischen Leiter verschlechtern stark die elektrischen Eigenschaften, bewirken Teilentladung und müssen daher vermieden werden. Die Ausführung des Eingiessteils beeinflusst massgeblich die Isoliereigenschaften des Bauteils.

[0003] Die Eingiessteile selbst werden bevorzugt aus Leichtmetalllegierungen gefertigt. Sie sind im Allgemeinen mit unterschiedlicher Isolierstoffstärke umhüllt. Die unterschiedliche Schichtstärke (kombiniert mit der dem Volumen einhergehenden Exothermie während der Vernetzungsreaktion) führt zu unterschiedlicher und mit der Schichtstärke zunehmender Schwindung im Isolatorwerkstoff. Dies begünstigt wiederum die Bildung von Hohlräumen im Inneren des isolierenden Giessharzes. Die Ver- bzw. Anbindung des Eingiessteils mit der isolierenden Duromermatrix ist problematisch, da durch die Schwindungsspannungen diese Grenzschicht mechanisch stark beansprucht wird. Trotz Verwendung von Haftvermittlern (z.B. Leitlack) können nach der Umhülllung bzw. nach Umguss Ablösungen des Isolierstoffs vom Eingiessteil zufolge von ungleichmässigen Schwundspannungen auftreten.

[0004] Weiters muss der Eingiessteil im Zuge des Herstellungsverfahrens auch eine Abdichtungsfunktion gegenüber der Form oder gegenüber Formkernen übernehmen, da eventuelle, meist innenliegende Kontaktstellen von Eingiessteilen beim Herstellungsprozess nicht vom Giessharz oder Isoliermaterial verunreinigt werden dürfen. Hier ist speziell die Abdichtung an der Innenseite des Eingiessteils auf dem Kern schwierig, da bereits durch kleinste Hohlräume Giessharz eindringen kann.

[0005] Die Schwierigkeit der Abdichtung ergibt sich durch die beiden kegelförmigen Flächen mit sehr geringem Öffnungswinkel, sodass bei gegebener Anpresskraft (zwischen Eingiessteil und Formkern) die Elektrode durch Abkühlung nach dem Giessprozess auf den Kern schwindet und dann sehr schwer entformbar bzw. von der Form trennbar ist. Es ist fertigungstechnisch weiters sehr aufwendig, sowohl Form als auch Eingiessteil mit kleinen Öffnungswinkeln und den Dichtigkeitsanforderungen entsprechend herzustellen.

[0006] Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Eingiessteil vorzuschlagen, bei welchem die oben beschriebenen Nachteile vermieden werden, sodass der vorgeschlagene Eingiessteil fehlerfrei mittels Vakuumguss, Druckguss oder Spritzguss in eine isolierende Matrix eingebettet werden kann. Es soll weiters ein Bauteil vorgeschlagen werden, welcher eine rissfreie und ablösungsfreie Anbindung bzw. Umhüllung des Isolierstoffes an den metallischen Eingiessteil aufweist.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der umlaufende Rand des Endabschnittes in Richtung auf die Achse des Eingiessteils hin gekrümmt ist und eine umlaufende, sich radial nach aussen hin öffnende Hinterschneidung auf den Basisteil hin aufweist, deren innere Wandung abgerundet in einen radial innenliegenden, umlaufenden, ringförmigen Stirnrand übergeht, dessen äussere, der Hinterschneidung zugewandte Begrenzungsfläche mit der Achse einen Winkel zwischen 5° und 90° einschliesst, wobei der Stirnrand axial vom auskragenden, umlaufenden Rand überragt ist. Damit ist der rissempfindliche, innenliegende Umfangsbereich, an welchem Eingiessteil, Giessharz und Atmosphäre zusammentreffen, vom aussenliegenden Rand einerseits axial überragt und gegenüber den äusseren und oberen, grösseren Giessharzvolumina abgeschirmt, wobei in Kombination mit dem durch die Hinterschneidung geschaffenen Volumen für das umhüllende Giessharz axial unterhalb rissempfindlichen Umfangsbereiches die beim Vernetzungsprozess auftretenden mechanischen Schwindungs-Spannungen an diesem Umfang minimiert werden.

[0008] Gemäss einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die äussere, der Hinterschneidung zugewandte Begrenzungsfläche mit der Achse einen Winkel zwischen 30° und 60° einschliesst.

[0009] Eine weitere erfindungsgemässe Ausführungsform sieht vor, dass der innere Stirnrand eine entgegen der äusseren Begrenzungsfläche abgeschrägte, ringförmig umlaufende Fläche aufweist. Dadurch wird am Eingiessteil eine kreisförmigen Dichtfläche zur Abdichtung gegen einen zentrischen Formkern gebildet, an welchem mit einer Dichtkante des Formkerns ein linienförmiger Dichtverlauf mit optimaler Dichtwirkung und gleichzeitig guter Entformbarkeit gebildet wird.

[0010] Vorteilhafterweise schliesst die ringförmig umlaufende Fläche einen Winkel zwischen 10° und 85°, vorzugsweise zwischen 25° und 45°, mit der Achse ein.

[0011] Vorzugsweise ist in allen genannten Fällen die Oberfläche des Eingiessteils an ihren Kontaktstellen zum Giessharz sandgestrahlt und/ oder mit Haftvermittlern beschichtet.

[0012] Die eingangs gestellte Aufgabe wird auch durch einen Bauteil gelöst, der unter Verwendung eines Eingiessteils wie in den vorangehenden Absätzen definiert aufgebaut ist.

[0013] Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren beispielhaft näher erläutert werden.

[0014] Dabei zeigt die Fig. 1einen herkömmlichen Eingiessteil mit Formkern, Fig. 2 zeigt den fertigen Bauteil, bestehend aus Eingiessteil und Isolationsumhüllung, Fig. 3 ist eine vergrösserte Schnittdarstellung des Randes eines herkömmlichen Eingiessteils samt Isoliermaterial, Fig. 4stellt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für den Rand eines erfindungsgemässen Eingiessteils im Schnitt dar, und Fig. 5 zeigt den Rand des Eingiessteils der Fig. 4im Rahmen des Herstellungsverfahrens mit eingesetztem Formkern vor der Umhüllung mit Isoliermaterial.

[0015] Als Isolationsmaterial wird vorzugsweise Epoxydharz mit Härter, Beschleuniger und Füllstoff und Additiven eingesetzt. Die vorliegende Erfindung ist für alle Werkstoffe des Eingiessteils und auch auf alle duromeren Isolationsmaterialien anwendbar, sodass auf die Werkstoffe nicht mehr eingegangen wird.

[0016] Die Fig. 1 zeigt einen Eingiessteil 20 gemäss dem Stand der Technik, der einen rotationssymmetrischen, buchsenförmigen Basisteil 1 und einen radial aufgeweiteten Endabschnitt 2 aufweist. Weiters ist ein Formkern 40 dargestellt, der im Zuge des Herstellungsverfahrens eines Bauteils 10 für die Mittel- und Hochspannungstechnik – siehe dazu Fig. 2mit Darstellung eines fertigen Bauteils – bei Umhüllung des Eingiessteils 20 mit einem Isoliermaterial 30, beispielsweise ein Duromer-Giessharz wie Epoxyharz, die Öffnung des Endabschnittes 2 verschliesst und gegen Eindringen des Isoliermaterials 30 schützt. Der rechts liegende Endabschnitt 2 des Eingiessteils 20 entspricht im Allgemeinen jener Seite eines Bauteils 10, die mittels eines äusseren Stromleiters oder Steckers kontaktiert wird. Die links anschliessenden Bereiche des Eingiessteils 20 können beliebig ausgeführt werden, sind für die Erfindung ohne weitere Bedeutung und daher nicht näher ausgeführt.

[0017] Fig. 3 zeigt in vergrössertem Massstab einen Schnitt durch den Randbereich eines bereits mit Isoliermaterial 30 umhüllten Eingiessteils 20. Man erkennt in dieser Schnittdarstellung, dass aufgrund des umlaufenden, in dieser speziellen Ausführungsform radial nach aussen auskragenden Randes der Anbindungsbereich für das Isoliermaterial sich nur einseitig, rechts der Kante 50 des Eingiessteils 20 befindet. An dieser Stelle geht die Schichtstärke des Isoliermaterials 30 gegen null. Zur Übersichtlichkeit ist durch den Kantenpunkt die Normale 51 gezogen. Diese Kante in der Schnittdarstellung entspricht räumlich einem Umfang, an dem Eingiessteil 20, Giessharzteil 30 und Atmosphäre zusammentreffen. Aus der unsymmetrischen Umhüllung dieses Umfanges folgt aufgrund der unsymmetrischen Volumenverteilung des umhüllenden Isoliermaterials 30 eine unsymmetrische Schwindung während der Vernetzung des Isoliermaterials 30, sodass leicht unerwünschte Ablösungen des Isoliermaterials 30 vom Eingiessteil 20 und in Folge Risse und Hohlräume im Isoliermaterial 30 entstehen können.

[0018] Bei Verwendung eines Formkerns 40 wie in Fig. 1 dargestellt ist der Abdichtungsbereich des Eingiessteils 20 zum Formkern 40 – oder einer gleichartigen Giessform – mit einem Winkel 52 von 0 bis 10° zur Achse des Eingiessteils 20 geneigt. Daher kann bereits durch kleinste Hohlräume Giessharz in die Öffnung des Eingiessteils 20 eindringen. Die Schwierigkeit der Abdichtung ergibt sich durch die beiden kegelförmigen Flächen mit sehr geringem Öffnungswinkel, sodass bei gegebener Anpresskraft (zwischen Eingiessteil 20 und Formkern 40) der Eingiessteil 20 durch Abkühlung nach dem Giessprozess auf den Kern 40 schwindet und dann sehr schwer entformbar bzw. von der Form 40 trennbar ist.

[0019] In Fig. 4 ist der Randbereich des Endabschnittes 2 einer Ausführungsform eines erfindungsgemässen Eingiessteils 20 im Schnitt dargestellt. Der Endabschnitt 2 weist hier einen umlaufenden Rand 22 in Form eines kronenförmigen Überstandes auf, welcher in Richtung auf die Achse des Eingiessteils 20 hin gekrümmt ist und eine umlaufende, sich radial nach aussen hin öffnende Hinterschneidung 21 auf den Basisteil 1 hin aufweist. Die innere Wandung 21a dieser Hinterschneidung 21 geht abgerundet in einen radial innenliegenden, umlaufenden, ringförmigen Stirnrand 23 über, dessen äussere, der Hinterschneidung 21 zugewandte Begrenzungsfläche 21b mit der Achse einen Winkel zwischen 5° und 90°, vorzugsweise zwischen 30° und 60°, einschliesst, wobei der Stirnrand 23 axial vom auskragenden, umlaufenden Rand 22 überragt ist.

[0020] Damit ist die Kante 50, wo die rissempfindlichste Anbindungsstelle zum Giessharz 30 gegeben ist, derart gestaltet, dass sich das Giessharz 30 auch links dieser Kante 50 – also links der Normallinie 51 – innerhalb der Hinterschneidung 21 befindet. Durch diese Ausführung werden nun umhüllende Schichtstärken bzw. Volumina des Isoliermaterials 30 links und rechts zur rissempfindlichen Kante 50 geschaffen. Mit der Schwindung des Isoliermaterials 30 im Hinterschneidungsbereich 21 links der Kante 50 werden jene Schwindungsspannungen, die durch das Isolationsmaterial 30 rechts der Normalen 51 erzeugt werden, reduziert bzw. kompensiert. Somit kann das Ablösen des Isoliermaterials 30 von dem Eingiessteil 20 an der rissempfindlichen Kante 50 vermieden werden. Durch die Ausführung des Eingiessteils 20 mit einem Überstand 22 ist eine kontinuierliche Verminderung der Schichtstärke des Isoliermaterials 30 rechts der Normalen 51 bewirkt, so dass die kritische Kante 50 von Schwundspannungen abgeschirmt wird, die von den äusseren Volumenbereichen des Isoliermaterials – nämlich rechts, oberhalb und ausserhalb des Randes 22 – erzeugt werden. Indem der schwindungsbehaftete Isolierstoff 30 nun links und rechts – also beidseitig – der Normalen 51 vorhanden ist, können die sich bei Aushärtung des Isoliermaterials 30 zufolge Volumenschwindung ergebende mechanischen Schwindungsspannungen ausgeglichen werden. Die Neigung des kronenförmigen Überstandes 22 des Eingiessteils 20 zur Achse bewirkt weiters, dass das Giessharz bzw. Isoliermaterial 30 in der solcherart geformter Bucht gehalten wird und nicht in die restlichen Bereiche grösserer Volumina wegschwinden kann. Die Gestalt des Eingiessteils 20 an dessen radialer Aussenseite bis zu dem Überhang 22 ermöglicht einen vorteilhaften, stetigen Schichtdickenzuwachs im Isoliermaterial 30 zwischen Eingiessteil 20 und Bauteilaussenseite.

[0021] Die erfindungsgemässe Gestaltung des Eingiessteils 20 mit der Hinterschneidung 21 und dem leicht zur Achse geneigten Überstand 22 ermöglicht eine stressfreie Schwindung des Isolierstoffes 30 in den Volumenbereichen, die durch den Überstand 22 und dem Innenradius des Bauteils 10 begrenzt werden. Somit kann das Bauteil 10 rissfrei hergestellt werden. Der kronenförmige Überstand 22 wird natürlich entsprechend dem gewünschten elektrischen Feldstärkeverlauf gestaltet.

[0022] Mit solcherart ausgeführten Eingiessteilen 20 kann die mechanische Festigkeit des gesamten Bauteils 10 erheblich gesteigert werden. Solcherart gestaltete Eingiessteile 20 sind Voraussetzung, um Eigenspannungen von duromeren Isolierstoffen 30 während des Vernetzungsprozesses zu minimieren. So kann etwa bei gleichem Isolationsmaterial und gleicher Bauteildicke beispielsweise der Berstdruck um ca. 20 bis 50% verbessert werden. Bei gleichen Druckanforderungen kann das Bauteil 10 insgesamt mit kleineren Abmessungen bei gleicher Festigkeit hergestellt werden. Mit der erfindungsgemässen Ausführung des Eingiessteils 20 können hohlraum- und spaltfreie eingebettete Isolatorbauteile hergestellt werden, ohne den Eingiessteil 20 notwendigerweise mit Haftvermittlern beschichten zu müssen.

[0023] Je nach Anforderung können die Haftungseigenschaften selbstverständlich durch Vorbehandlung des Eingiessteils 20 weiters verbessert werden, beispielsweise durch Sandstrahlen, chemisches Ätzen oder Plasmaätzen. Wird der Eingiessteil 20 nur partiell behandelt, wird vorzugsweise der Anbindungsbereich 50 zwischen Eingiessteil 20 und Giessharz 30 behandelt.

[0024] Mit dem erfindungsgemässen Eingiessteil 20 ist es aber auch möglich, die Abdichtung gegenüber dem Formkern 40 zu verbessern. Wie in Fig. 5 beispielhaft dargestellt ist, weist der innere Stirnrand 23 eine entgegen der äusseren Begrenzungsfläche 21b abgeschrägte, ringförmig umlaufende Fläche 23a auf. Diese Fläche 23a bildet am Eingiessteil 20 eine kreisförmige Dichtfläche zur Abdichtung gegen eine umlaufende Dichtkante 41 eines zentrischen Formkerns 40, so dass ein linienförmiger Dichtverlauf mit optimaler Dichtwirkung und gleichzeitig guter Entformbarkeit gewährleistet ist. Diese Dichtlinie liegt radial innerhalb und axial annähernd in der Höhe des Umfangs 50, an dem Giessharz 30, Eingiessteil 20 und Atmosphäre zusammentreffen. Die ringförmig umlaufende Fläche 23a schliesst dabei einen Winkel zwischen 10° und 85°, vorzugsweise zwischen 25° und 45°, mit der Achse ein. Die Dichtfläche 23a befindet sich an einer Fase mit einem Winkel zwischen 10° und 85° zur Symmetrieebene der Elektrode. Dabei ist es leicht möglich, auch mit einem Überhang der Dichtfläche 23a zu arbeiten, das heisst dass der Winkel 52 grösser als 90° ist. Bevorzugt wird ein Winkel zwischen 85 bis 95° eingesetzt.

[0025] Der Winkel an der Giessform kann bei einem Winkel 52 an dem Eingiessteil 20 von kleiner 90° um 0,5° bis 2° kleiner bzw. bei einem Winkel 52 grösser gleich 90° um 0,5° bis 2° grösser ausgeführt sein. Dadurch ergibt sich eine Dichtfläche, die theoretisch nur eine umlaufende Randlinie direkt an der Anbindungsstelle 50 darstellt und durch die Verpressung des Eingiessteils 20 wie auch der Giessform 40 eine sichere Abdichtfläche ergibt, die zur Mitte des Bauteils 10 hin sicher geschlossen ist.

[0026] Mit dieser Ausführung der Dichtung ist es möglich, das Eindringen von Giessharz an der Innenseite des Eingiessteils 20 zu vermeiden. Ebenso ist die Entformung problemlos möglich, da durch den steileren Winkel von mindestens 30° unterschiedliche Wärmeausdehnungen von Eingiessteil 20 und Formkern 40 nicht zum Aufschwinden der Elektrode auf dem Kern führen können. Dazu wird vorzugsweise im leicht konischen Teil der Formkern 40 freigestellt, wie es in Fig. 5dargestellt ist.

[0027] Durch die Verlagerung der Dichtfläche vom Stromeinleitungsbereich in den Übergangsbereich kann die Fertigung des Eingiessteils 20 wie auch der Giessform 40 selbst wesentlich vereinfacht werden. Die Dichtung erfolgt in einem kleinen parallelen Bereich an zwei ebenen Flächen, was fertigungstechnisch wesentlich einfacher umsetzbar ist, wie die Parallelität der an Kegeln gelegenen Mantelflächen unter einem geringen Winkel von maximal einigen Grad. Ein O-Ring im Formkern zur Dichtung, wie er auch bei den bestehenden Lösungen verwendet wird, kann weiterhin, muss aber nicht, verwendet werden.

Claims (6)

1. Eingiessteil (20) zur Herstellung von Bauteilen (10) für die Mittel- und Hochspannungstechnik durch ablösungsfreie Umhüllung mit einem Isoliermaterial (30), vorzugsweise einem Duromer, bestehend aus einem rotationssymmetrischen, buchsenförmigen Basisteil (1) mit einem radial aufgeweiteten Endabschnitt (2), dessen umlaufender Rand (22) radial abgerundet und gegebenenfalls nach aussen auskragend ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der umlaufende Rand (22) des Endabschnittes (2) in Richtung auf die Achse des Eingiessteils (20) hin gekrümmt ist und eine umlaufende, sich radial nach aussen hin öffnende Hinterschneidung (21) auf den Basisteil (1) hin aufweist, deren innere Wandung (21a) abgerundet in einen radial innenliegenden, umlaufenden, ringförmigen Stirnrand (23) übergeht, dessen äussere, der Hinterschneidung (21) zugewandte Begrenzungsfläche (21b) mit der Achse einen Winkel zwischen 5° und 90° einschliesst, wobei der Stirnrand (23) axial vom auskragenden, umlaufenden Rand (22) überragt ist.

2. Eingiessteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äussere, der Hinterschneidung (21) zugewandte Begrenzungsfläche (21b) mit der Achse einen Winkel zwischen 30° und 60° einschliesst.

3. Eingiessteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Stirnrand (23) eine entgegen der äusseren Begrenzungsfläche (21b) abgeschrägte, ringförmig umlaufende Fläche (23a) aufweist.

4. Eingiessteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet dass die ringförmig umlaufende Fläche (23a) einen Winkel zwischen 10° und 85°, vorzugsweise zwischen 25° und 45°, mit der Achse einschliesst.

5. Eingiessteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Eingiessteils (20) an ihren Kontaktstellen zum Isoliermaterial (30) sandgestrahlt und/oder mit Haftvermittlern beschichtet ist.

6. Bauteil (10) für die Mittel- und Hochspannungstechnik, bestehend aus einem rotationssymmetrischen Eingiessteil (20) mit einer Umhüllung aus einem Isoliermaterial (30), dadurch gekennzeichnet, dass der Eingiessteil (20) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgeführt ist.