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Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff zum Einsatz als Isolator in elektrischen Spulen, insbesondere von Motoren und Transformatoren, einen Abstandshalter für eine Spule hieraus, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Verbundwerkstoffs.
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In elektrischen Spulen, wie in Transformatoren und Motoren, insbesondere fluidgekühlten Transformatoren ist es bekannt, Abstandshalter vorzusehen, um einzelne Lagen der Spulenwicklungen auf Abstand zu halten und so eine ausreichende Durchströmung mit Kühlfluid zu ermöglichen.
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Die
WO 2009/109 216 A1 beschreibt einen Verbundwerkstoff gebildet aus zwei Schichten mit einem hohlen Kern zum Einsatz als Isolator, wobei die äußere der beiden Schichten aus glasfaserverstärktem Kunststoff gebildet ist. Die innere der beiden Schichten besteht ebenfalls aus Kunststoff und ist mit verschiedenen Arten von Fasern, zum Beispiel Aramidfasern verstärkt.
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In der
WO 2010/116 407 A1 ist ein gasisoliertes, hohles Bauteil offenbart, das als Verbundkörper ausgebildet ist, bestehend aus einem Kern aus glasfaserverstärktem Kunststoff und einer sowohl auf die innere als auch auf die äußere Wand des Kerns aufgebrachten, geschlossenen Schicht aus verwobenen organischen Fasen, beispielsweise Aramid, eingegossen in eine Matrix aus wärmeaushärtbarem Harz.
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Die
DE 1 696 252 A beschreibt Materialien mit einem Träger aus Papier aus Fasern aus aromatischen Polyamiden gebunden an ein Organosiliciumpolymer für verschiedene Anwendungszwecke, insbesondere bei der elektrischen Isolierung. Dies ist nicht auf Erzeugnisse beschränkt, die nur aus einer Schicht aus Papier aus aromatischen Polyamid und einer Polysiloxanschicht bestehen, sondern umfasst auch komplexere Erzeugnisse, die außer den in Frage stehenden Schichten auch Schichten aus anderen Materialien aufweisen, wie bspw. Schichten aus Folien, Blättern oder Platten aus Glimmer oder Glasfaserbändern. In der Verwendung ist bspw. vorgesehen, das Verbunderzeugnis um das zu isolierende Element zu wickeln.
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Die
DE 295 13 522 U1 beschreibt einen Transformator mit einem Abstandsgitter aus parallelen Leisten, die mit Trägerbändern verbunden sind. Durch eine Verzahnung der Trägerbänder mit den Leisten wird ein formstabiles Abstandsgitter erreicht.
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Als Material für derartige Abstandsgitter sind, insbesondere für den Hochspannungsteil eines Transformators, Meta-Aramid-Fasern bekannt. Hieraus hergestellte Materialien weisen hervorragende elektrische Isolationseigenschaften auf.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen geeigneten Werkstoff für die Verwendung als Isolator, insbesondere in Motoren und Transformatoren, vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Verbundwerkstoff gemäß Anspruch 1, einen Abstandshalter gemäß Anspruch 6 und ein Verfahren gemäß Anspruch 10 zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes. Abhängige Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß wird ein Verbundwerkstoff gebildet aus einem Kern aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) und mindestens einer darauf angebrachten Lage aus Meta-Aramid-Fasern, die einzelne Fasern umfasst. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass der so gebildete Verbundwerkstoff weiterhin sehr günstige elektrische Eigenschaften für die Verwendung als Isolator aufweist und andererseits auch sehr günstige mechanische Eigenschaften hat. Zudem ist er sehr kostengünstig in benötigten Formen herstellbar.
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Glasfaserverstärkte Kunststoffe und Verfahren zu ihrer Herstellung sind per se bekannt. Im Allgemeinen umfassen sie mindestens eine Harzkomponente und eine Faserkomponente. Die Harzkomponente kann bspw. Epoxidharz oder Polyamid sein; im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird allerdings ungesättigtes Polyesterharz (UP) bevorzugt. Die Faserkomponente wird bevorzugt von Glasfasern gebildet, besonders bevorzugt als Faserbündel (Roving). Der Faseranteil beträgt bevorzugt mehr als 50 Gew.-%. Das Kunststoffmaterial kann, wie dem Fachmann bekannt, zudem weitere Komponenten, insbesondere Füllstoffe etc. umfassen. Körper aus GFK-Materialien können mit verschiedenen bekannten Verfahren hergestellt werden, bspw. Laminieren, Faserspritzen, SMC/BMC-Pressen etc. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt wird als Herstellung die Pultrusion, d. h. ein Strangziehverfahren. Im Strangziehverfahren werden Fasern mit Harz imprägniert und unter Transport als Strang ausgehärtet.
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Meta-Aramid-Fasern sind ebenfalls per se bekannt. Als Aramide oder aromatische Polyamide werden langkettige synthetische Polyamide bezeichnet. Hieraus können Aramid-Fasern als organische Kunstfasern hergestellt werden, die sich u. a. durch hohe Festigkeit, hohe Schlagzähigkeit, thermische und chemische Beständigkeit auszeichnen.
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Meta-Aramid-Fasern sind in verschiedenen Formen erhältlich. Bevorzugt werden flächige Lieferformen von Meta-Aramid-Fasern, bspw. als Vlies oder Gewebe. Diese können kalandriert oder unkalandriert sein. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Meta-Aramid-Papier, d. h. kalandrierten Meta-Aramid-Fasern. Solches Meta-Aramid-Papier ist in verschiedenen Dichten und in verschiedenen Dicken als Isolierpapier erhältlich, von bspw. 0,05 mm Dicke bis hin zu ca. 1 mm Dicke oder sogar darüber.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff und dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren hierfür ist mindestens eine Lage aus Meta-Aramid-Fasern auf einem GFK-Kern aufgebracht. Dies kann im Prinzip mittels dazwischen angeordneter Klebstoffe oder Zwischenschichten aus anderen Materialien erreicht werden. Bevorzugt ist jedoch der Kern direkt ohne Zwischenschicht mit der Lage aus Meta-Aramid-Fasern verbunden. Dabei ist es besonders bevorzugt, dass die Harzkomponente des Kerns die Verbindung zu der Faserlage herstellt. In einer bevorzugten Ausführung besteht das Verbandmaterial daher ausschließlich aus dem GFK-Material und dem Meta-Aramid-Fasermaterial.
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Bei der bevorzugten Herstellung des Materials im Strangziehverfahren wird die Meta-Aramid-Faserlage als bevorzugt flächige Komponente zugeführt und auf den Strang aufgebracht, wobei bevorzugt die Harzkomponente noch nicht oder nicht vollständig ausgehärtet ist und somit eine mechanische Verbindung herstellt.
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Der Verbundwerkstoff hat sich als hervorragend geeignet zum Einsatz als Isolator erwiesen. Die mechanischen Eigenschaften sind sehr günstig. Durch den Einsatz von GFK ist die Festigkeit des Materials hoch. Auch die Formstabilität ist höher als bei reinem Meta-Aramid-Material.
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Als besonders günstig hat es sich erwiesen, wenn das Meta-Aramid-Material einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten und das Kernmaterial einen positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Aufgrund der Flexibilität der Meta-Aramid-Fasern führt dies bei Temperaturschwankungen nicht zu störenden Spannungen. Gleichzeitig erfolgt eine teilweise oder vollständige Kompensation der Wärmeausdehnung, so dass die Abmessungen des Verbundwerkstoffs bei Temperaturschwankungen insgesamt geringer bleiben als bei Verwendung nur einer der beiden Komponenten.
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Vor allem lässt sich der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff sehr kostengünstig herstellen. Das GFK-Material ist erheblich kostengünstiger als Meta-Aramid-Fasern. Erfindungsgemäß beträgt die Dicke der Meta-Aramid-Faserlage bzw bei mehreren Lagen die Summe der Dicken der Meta-Aramid-Faserlagen weniger als 20% der Dicke des GFK-Kerns.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der Werkstoff flach oder als Profil geformt. Dann ist jeweils mindestens auf der Ober- und Unterseite jeweils eine Lage aus dem Meta-Aramid-Fasermaterial aufgebracht. Diese Ausführung ist wegen der auf beiden Seiten guten Isoliereigenschaften besonders bevorzugt. Günstigerweise ist die Dicke der beiden Meta-Aramid-Faserlagen hierbei mindestens im Wesentlichen (d. h. mit Abweichung von maximal +/–50%, bevorzugt maximal +/–20%) gleich.
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Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführung beträgt die Dicke einer Meta-Aramid-Faserlage 0,05 bis 2 mm, bevorzugt 0,2 bis 1,0 mm, besonders bevorzugt 0,3 bis 0,8 mm. Der Kern kann je nach Einsatzzweck sehr verschiedene Abmessungen aufweisen. Bevorzugt beträgt seine Dicke, gemessen in Richtung der Dicke der Meta-Aramid-Faserlage, von 2,5 bis 25 mm.
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Aus dem Verbundmaterial kann ein Abstandshalter für eine Spule hergestellt werden, bspw. eine Drosselspule oder eine Spule eines Transformators oder Motors, der zwischen mindestens zwei Windungen angeordnet ist und diese für eine bessere Durchströmung mit umgebenden Kühlfluid auf Abstand hält, wobei die Lage aus Meta-Aramid-Fasern des erfindungsgemäßen Verbundmaterials hiermit durchtränkbar ist. Besonders bevorzugt ist das Kühlfluid hierbei ein Transformatoröl.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Abstandshalter als Profil, d. h. als längliches Element mit über die Länge konstanter Querschnittsform ausgebildet. Die Querschnittsform muss hierbei lediglich ”im Wesentlichen” konstant sein, d. h. es können bevorzugt bei im Übrigen konstantem Querschnitt bspw. Einkerbungen und/oder Schlitze etc. vorgesehen sein. Das Profil kann bspw. ein Rechteck-Profil (mit rechteckiger Querschnittsform), Rund-Profil (mit kreisförmiger Querschnittsform) oder Trapez-Profil (mit trapezförmiger Querschnittsform) sein. Alternativ kann das Profil ein Eck-Profil sein, dessen Querschnittsform auf einer Seite einen nach innen angelegten Winkel und auf der anderen Seite je nach Ausführung entweder ebenfalls eckig ist oder eine Abrundung aufweist, oder ein T-Profil oder Doppel-T-Profil mit einem Mittelträger und einem der zwei rechtwinklig T-förmig oder doppel-T-förmig angeordneten Querträgern, oder ein Hundeknochen(Dogbone)-Profil mit einem mittleren, schmaleren Bereich und zwei äußeren, breiteren Bereichen.
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Gemäß einer Weiterbildung ist aus mehreren Profilstäben eine Leistenmatte gebildet, wobei die Profilstäbe im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet und in Querrichtung durch mindestens ein Trägerband, bevorzugt aus Meta-Aramid-Papier, verbunden sind, wie offenbart in
DE 295 13 522 U1 , worauf vorliegend ausdrücklich Bezug genommen wird im Hinblick auf die Möglichkeiten zur Fixierung der Profilstäbe mittels Trägerbändern und Sperrbändern.
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1 in teilweise schematischer Darstellung eine Querschnittsansicht durch ein Verbundmaterial gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 einen Teil einer Verbundmatte gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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3 eine teilweise schematische, perspektivische Ansicht eines Transformators mit der Verbundmatte aus 2 als Abstandshalter;
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4a–4g Beispiele von Querschnittsformen für Profilstäbe;
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5 in schematischer Seitenansicht eine Vorrichtung zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs.
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1 zeigt in einer teilweise schematischen Querschnittsansicht ein Verbundmaterial gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Das Verbundmaterial liegt hier als flaches Profil 10 mit rechteckigem Querschnitt vor. Ein mittlerer Kern 12 ist massiv aus glasfaserverstärktem Kunststoffmaterial gebildet. Auf dem Kern sind an der Oberseite und Unterseite jeweils eine Lage 14, 16 aus einem flächigen Meta-Aramid-Fasermaterial gebildet. In der bevorzugten Ausführungsform bestehen die Lagen 14, 16 aus kalandriertem Meta-Aramid-Papier.
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Bei dem Verbundmaterial in 1 sind das glasfaserverstärkte Kunststoffmaterial (GFK) des Kerns 12 mit den Lagen 14, 16 ohne eine Zwischenlage durch direkte Verbindung der Meta-Aramid-Faserlagen 14, 16 mit dem Material des Kerns verbunden. Wie nachfolgend erläutert, kann eine solche Verbindung bei der Herstellung des Kerns 12 durch Zusammenbringen des Kerns 12 mit den Meta-Aramid-Faserlagen 14, 16 unter Hitze erzeugt werden.
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Das Gitter-Aramid-Fasermaterial der Faserlagen 14, 16 behält dabei seine mechanischen Eigenschaften weitgehend bei, d. h. die Lagen 14, 16 sind weiter aus einzelnen Fasern gebildet und so bspw. mit Flüssigkeiten durchtränkbar. Wie nachfolgend erläutert wird, kann dies eine wichtige Eigenschaft bei der Verwendung des Verbundmaterials 10 als Isolator sein.
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In der gezeigten bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke jeder Faserlage 14, 16 0,51 mm. Die Dicke des Kerns 12 aus GFK-Material hingegen beträgt ca. 5 mm.
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Je nach Einsatzzweck und benötigten Eigenschaften können andere Abmessungen gewählt werden. Es sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, dass die Darstellung der Lagen in den Figuren nicht maßstäblich ist, sondern die Lagen zur besseren Anschauung dicker gezeichnet sind, als es den tatsächlichen Verhältnissen entspricht.
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Bei dem GFK-Material handelt es sich um ein im Pultrusionsverfahren hergestelltes Material aus einer Faserkomponente mit im Wesentlichen längs verlaufenden Glasfasern und einer Harzkomponente aus einem ungesättigten Polyesterharz. Das GFK-Material umfasst Glasrovings in einem Gewichtsanteil von mehr als 65%.
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Das Verbundmaterial 10 wird bevorzugt in einem Strangziehverfahren hergestellt, wie in 5 schematisch dargestellt. Dabei werden Glasfasern 20 zugeführt und in einem Bad 22 mit Harz getränkt, wie es dem Fachmann für die Herstellung von GFK-Material bekannt ist. So wird ein Strang aus dem GFK-Material des Kerns 12 gebildet, der in einer Härtereinheit 26 unter Hitze aushärtet und dabei stets von einer Transporteinheit 28 weitertransportiert wird.
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Im Gegensatz zum herkömmlichen, bekannten Pultrusionsverfahren für die Herstellung von GFK-Material wird zur Herstellung des Verbundmaterials beidseitig zum Strang 12, bspw. von Spulen 30 jeweils eine Lage aus Meta-Aramid-Fasermaterial zugeführt. Die Meta-Aramid-Faserlagen 14, 16 werden an der Ober- und Unterseite des den Strang bildenden Kerns 12 aufgebracht, während das Harz im Kern 12 noch nicht (oder noch nicht vollständig) gehärtet ist. So entsteht eine Verbindung zwischen dem Kern 12 und den Faserlagen 14, 16, bevorzugt ohne dass zusätzliche Materialien wie Zwischenschichten oder Kleber aufgebracht werden.
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Nach dem Aushärten wird der fertige Strang aus dem Verbundmaterial 10 in den erforderlichen Abmessungen zugeschnitten.
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Das Verbundmaterial 10 kann dabei in verschiedenen Formen hergestellt werden, bspw. plattenförmig oder als Profilstäbe mit unterschiedlichen Querschnittsformen. Maßgeblich ist dabei die Verwendung mindestens einer Faserlage, bevorzugt zwei Faserlagen auf gegenüberliegenden Seiten.
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Beispiele von Profilformen sind in 4a–4f dargestellt, darunter die bereits beschriebene rechteckige Querschnittsform (4a) mit den Meta-Aramid-Faserlagen an Ober- und Unterseite. In Abwandlung hiervon zeigt 4b eine Trapezform, wiederum mit Meta-Aramid-Faserlagen an Ober- und Unterseite. Die schrägen Seitenflächen können optional hierbei ebenfalls mit einer Meta-Aramid-Faserlage belegt sein, wegen der einfacheren Herstellung bleiben sie aber bevorzugt frei.
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Auch bei einer Querschnittsform im Hundeknochen(Dogbone)-Profil (4f) und im Doppel-T-Profil (4g) sind Meta-Aramid-Faserlagen jeweils an der geraden Ober- und Unterseite vorgesehen. Beide Profile sehen an der Ober- und Unterseite breite Bereiche mit flachen, im Wesentlichen ebenen Außenflächen und mittig einen schmaleren Übergangsbereich vor. Beim Hundeknochen(Dogbone)-Profil ist der Übergang zwischen den Bereichen gerundet, beim Doppel-T-Profil erfolgt er in Form einer Stufe.
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Beim Rundprofil (4c) mit kreisförmiger Querschnittsform und beim Eckprofil (4d) mit einer Querschnittsform, die einseitig eine Abrundung und gegenüberliegend einen nach innen gerichteten Winkel aufweist, sind die Profilformen wie in den Figuren dargestellt vollständig von einer Lage aus Meta-Aramid-Fasern umgeben. Alternativ können aber auch nur Teile der Profile mit Faserlagen belegt sein, wie bei einem alternativem Eck-Profil (4e) mit einer Querschnittsform, die auf beiden Seiten winklig ist.
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Die Abmessungen derartiger Querschnittsformen können hierbei je nach Einsatzzweck variieren. Lediglich beispielhaft seien einige bevorzugte Profilformen mit ihren Abmessungen genannt:
Dogbone-Profil: Breite 5 mm, Dicke 8 mm, in verschiedenen Längen
Dogbone-Profil: Breite 6 mm, Dicke 8 mm, in verschiedenen Längen
Dogbone-Profil: Breite 6 mm, Dicke 6 mm, in verschiedenen Längen
Rechteckprofil: Breite 6 mm, Dicke 4 mm, in verschiedenen Längen
Rechteckprofil: Breite 6 mm, Dicke 6 mm, in verschiedenen Längen
Rechteckprofil: Breite 18 mm, Dicke 6 mm, in verschiedenen Längen
Rechteckprofil: Breite 6 mm, Dicke 5,3 mm, in verschiedenen Längen
Rechteckprofil (beidseitig eckig): Breite 18 mm, Dicke 18 mm, in verschiedenen Längen
Rechteckprofil (eckig/gerundet): Breite 25 mm, Dicke 25 mm, in verschiedenen Längen
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Das Verbundmaterial ist besonders geeignet zur Verwendung als elektrisches Isolationsmaterial. Dabei profitiert das Verbundmaterial von den hervorragenden Isolationseigenschaften der Meta-Aramid-Faserlagen. Diese weisen eine sehr hohe Durchschlagfestigkeit von bspw. über 30 kV/mm auf, im Vergleich zur Durchschlagfestigkeit von 5–10 kV/mm für GFK-Material. Zudem weisen die Faserlagen 14, 16 eine hervorragende Temperaturstabilität auf.
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Bei der Verwendung des Verbundmaterials als Isolator dienen die Faserlagen 14, 16 als Barrierematerial gegen thermische oder elektrische Belastungen. Andererseits sorgt das GFK-Material für eine hohe mechanische Festigkeit des Gesamtsystems. Die Verwendung von reinem GFK-Material ohne Meta-Aramid-Faserlagen als elektrischer Isolator kann insbesondere im Hochspannungsbereich problematisch sein, da sich im GFK-Material produktionsbedingt Lunker (Lufteinschlüsse etc.) bilden können und so bei hohen Feldstärken an diesen Stellen Entladungen, insbesondere Teilentladungen (Corona) wahrscheinlicher sind.
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Besondere Vorteile des Verbundmaterials zeigen sich, wenn der Isolator in Öl getränkt ist, d. h. insbesondere bei der Verwendung in ölgekühlten elektrischen Komponenten wie insbesondere Transformatoren oder Motoren. Das Material der Faserlagen 14, 16 ist durchtränkbar. Falls es tatsächlich einmal zu einer Teilentladung kommt, wird innerhalb der öldurchtränkten Meta-Aramid-Faserlagen 14, 16 ein aufgetretener Zündkanal durch das Isolieröl wieder geschlossen. Es kommt zu einer Art „Selbstheilung” ohne Bildung einer dauerhaften Schwachstelle.
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Eine weitere günstige Eigenschaft des Verbundmaterials 10 ist eine zumindest teilweise Kompensation der Wärmeausdehnung. Denn das GFK-Material besitzt einen positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten, während die Meta-Aramid-Faserlagen 14, 16 einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Unter Temperatureinfluss kompensiert das unterschiedliche Verhalten der Komponenten somit mindestens teilweise die Materialausdehnung. Aufgrund der Flexibilität des Fasermaterials kommt es trotz der unterschiedlichen Wärmeausdehnung nicht zu Spannungen, die zu einer Ablösung der Komponenten voneinander führen können.
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Neben möglichen anderen Verwendungen des Verbundmaterials 10 als elektrischer Isolator, bspw. in Schaltern und anderen elektrischen Komponenten, ist insbesondere die Verwendung als Abstandhalter in elektrischen Spulen, d. h. in Motoren, Transformatoren, Drosselspulen etc. vorgesehen und hier insbesondere bei flüssigkeitsgefüllten Komponenten. Mögliche Kühl-Isolierflüssigkeiten umfassen verschiedene bekannte Öle, bspw. Mineralöle sowie spezifische Ester und/oder Silikone (bspw. Shell Diala DX Mineralöl, Midel 7131® Ester, Envirotemp® 200, Shell Fluid 4600, Reolec 138®, Hatcol®).
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Zur Verwendung als Abstandhalter in einer elektrischen Spule wird das Verbundmaterial
10 in Form von Profilstäben
40 vorgesehen, die bspw. eine der in
4a–
4f gezeigten Querschnittsformen aufweisen. Derartige Profilstäbe können einzeln als Abstandhalter zwischen den Wicklungen eingesetzt werden, besonders bevorzugt ist aber eine Verarbeitung zu Leistenmatten
42, wie schematisch in
2 gezeigt, bei denen mehrere Profilstäbe
40 in paralleler Anordnung mit quer verlaufenden Trägerbändern
44 verbunden sind. Wie in der
DE 295 13 522 U1 beschrieben, sind hierbei die Bänder
44 durch Schlitze in den Profilstäben
40 geführt und dort mit diesen verzahnt, so dass ein im Wesentlichen konstanter Abstand zwischen den Profilstäben
40 gewährleistet bleibt. Über die Länge der Profilstäbe
40 sind mehrere solcher Trägerbänder
44 vorgesehen.
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Die Trägerbänder 44 bestehen aus Meta-Aramid-Papier. Zur Bildung der Matten 42 ist es bevorzugt, dass die Trägerbänder 44 aus einem verzahnten Tragstreifen und einem parallelen Konterstreifen gebildet, die nacheinander eingeführt werden, um eine Verzahnung zu bilden und zu verriegeln.
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In einer bevorzugten Ausführungsform (nicht dargestellt) erfolgt die Verbindung der Profilstäbe 40 mit dem Trägerband 44 zu einer Matte 42 nicht, indem die Trägerbänder 44 durch Schlitze in den Profilstäben 40 geführt werden, sondern indem die Trägerbänder 44 einseitig auf die Profilstäbe 40 aufgelegt und dann mit diesen verbunden werden. Hierbei können verschiedene Verbindungsverfahren benutzt werden, insbesondere bspw. Kleben. Bevorzugt wird jedoch ein Ultraschall-Schweißen. Das Material des Trägerbands 44 aus Meta-Aramid-Fasern und die Oberfläche der Profilstäbe 40, die ebenfalls aus Meta-Aramid-Fasern besteht, eignen sich hierbei gut für eine Verbindung mittels Ultraschall-Schweißen.
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Wie in 3 gezeigt, wird eine derartige Leistenmatte 42 als Abstandhalter in einer elektrischen Spule 50 eingesetzt, um eine äußere Wicklung 46 von einer inneren Wicklung 48 auf Abstand zu halten. Im Fall eines flüssigkeitsgefüllten elektrischen Bauelements, bspw. eines ölgekühlten Transformators, kann so das Kühlfluid durch den gebildeten Zwischenraum zirkulieren.
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Hierbei wirken auf die Profilstäbe 40 erhebliche mechanische Kräfte, die aber insbesondere durch die hohe mechanische Stabilität des GFK-Materials gut aufgefangen werden können. Im Betrieb treten zudem erhebliche thermische Belastungen von bspw. bis ca. 130°C auf, für die sowohl das Meta-Aramid-Fasermaterial als auch das GFK-Material ausgelegt sein müssen. Hierbei ist innerhalb des GFK-Materials das Harzsystem die temperaturbestimmende Komponente, da die Temperaturbeständigkeit der Meta-Aramid-Fasern ebenso wie der im GFK-Material enthaltenen Glasfasern bei über 200°C liegt.
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Insbesondere bei der Verwendung im Hochspannungsbereich können erhebliche elektrische Spannungen zwischen den Wicklungen 46, 48 auftreten. Besonders gefährdet sind dabei sog. Hotspots, bei denen an den Polenden die maximale Feldstärke auftritt. Deshalb kommt es hier besonders auf die Durchschlagfestigkeit des Verbundmaterials an. Hierbei wirkt das öldurchtränkte Meta-Aramid-Fasermaterial als Barrierematerial mit der erwähnten hohen Durchschlagfestigkeit und Selbstheilung.
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Ein besonders Erfordernis an ein Isoliermaterial ist in vielen Fällen eine hohe Langzeitstabilität über viele Jahre. Für Meta-Aramid-Fasermaterial ebenso wie für GFK-Material liegen hierzu bereits Erfahrungswerte vor; beide Materialien haben sich – im bisherigen Einsatz jeweils getrennt voneinander – als langzeitstabil erwiesen. Bei dem bevorzugten Verbundmaterial werden diese beiden Materialkomponenten ohne zusätzliche Zwischenschicht, Kleber etc. verbunden, so dass auch hier von vergleichbarer Langzeitstabilität ausgegangen werden kann.
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Zu den gezeigten Ausführungsformen sind verschiedene Abwandlungen möglich. Dies gilt zunächst insbesondere im Aufbau des Verbundmaterials, bei dem unterschiedliche Dicken des Kerns 12 und der Faserlagen 14, 16 möglich sind und auch zusätzliche Schichten und andere Materialien zusätzlich vorgesehen sein können. Das Verbundmaterial kann auch in anderen Verfahren hergestellt werden, wobei bevorzugt bekannte GFK-Herstellverfahren verwendet werden und eine Verbindung der Meta-Aramid-Faserlagen mit den noch nicht ausgehärteten Harz des GFK-Materials gebildet wird. Ebenso können selbstverständlich verschiedenste Querschnittsformen und Abmessungen von Profilstäben als Abstandhalter verwendet werden.
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Als weitere Alternative zu den gezeigten Ausführungen ist es auch möglich, dass eine oder mehrere Lagen aus Meta-Aramid-Fasern nicht separat als Faserlagen 14, 16 innerhalb des Verbundkörpers 10 ersichtlich sind, wie bei den zuvor diskutierten Ausführungen. Dort bestehen die Faserlagen 14, 16 ausschließlich aus den Meta-Aramid-Fasern und sind mit dem GFK-Kern 12 zwar fest mechanisch verbunden, aber dennoch getrennt sichtbar. Auch wenn die Verbindung zwischen dem Kern 12 und dem Meta-Aramid-Faserlagen 14, 16 wie beschrieben durch die Harzkomponente des GFK-Materials des Kerns 12 erfolgt, so durchdringt das Harz die Meta-Aramid-Faserlagen 14, 16 bei diesen Ausführungen nicht vollständig, so dass Zwischenräume zwischen den Fasern verbleiben und die Meta-Aramid-Faserlagen 14, 16 durchtränkbar sind.
