DE10246363B4 - Kunststoffplatte aus verpresstem Prepregmaterial und Herstellungsverfahren - Google Patents

Kunststoffplatte aus verpresstem Prepregmaterial und Herstellungsverfahren Download PDF

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Abstract

Kunststoffplatte, insbesondere für elektrische Flächenisolierungen, aus verpresstem Prepregmaterial, wobei sie auf wenigstens einer Plattenseite ein Distanzierungsprofil aufweist, das beim Verpressen des Prepregmaterials aus diesem herausgeformt ist und einzelne, in der Plattenebene zweidimensional angeordnete und in zwei nicht-parallelen Richtungen voneinander beabstandete und von der Plattenebene (3) vorstehende Distanzierungselemente (2) beinhaltet.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Kunststoffplatte aus verpresstem Prepregmaterial und auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Kunststoffplatte.
  • Derartige Platten sind als z.B. faserverstärkte Kunststoffplatten für elektrische Flächenisolierungen gebräuchlich, wie zur Lagenisolation und Distanzierung von Elektrodenschichten in Kondensatoren und von Wicklungen in Transformatorspulen, anderen elektrischen Spulen und elektrischen Maschinen. Faserverstärkte Kunststoffplatten für diese Anwendungen werden von der Anmelderin unter der Handelsbezeichnung "PREGNIT" vertrieben und sind z.B. in deren Firmenprospekten "KREMPEL – Elektroisolierstoffe: Sicherheit in der Elektrotechnik" und "Faserverstärkte Kunststoffplatten und Formteile", jeweils Ausgabe 2/97, aufgeführt. Die bislang von der Anmelderin für solche Flächenisolationszwecke angebotenen faserverstärkten Kunststoffplatten sind an ihrer Oberfläche im wesentlichen plan, wobei eine gleichmäßige Texturierung des Kunstharzmaterials vorhanden sein kann.
  • Im Einsatz z.B. beim Spulenbau werden die Wicklungen auf den isolierenden Platten angeordnet und letztere dann in der gewünschten Form, z.B. zylindrisch, aneinandergelegt, wonach die gesamte Anordnung zur Bildung des Spulenkörpers vergossen wird. Eine zentrale Anforderung an den Spulenkörper besteht darin, dass er den elektrischen Beanspruchungen Stand hält, insbesondere sollten unerwünschte Teilentladungen vermieden werden, da dies je nach Anwendung zu unerwünschten Störimpulsen und/oder zu Erosionserscheinungen bis hin zum Funktionsausfall der Spule führen kann. Dies macht einen möglichst fehlerfreien Verguss nötig, was wiederum einen möglichst gleichmäßigen Fluss des Vergussharzes bedingt.
  • Dazu ist es bekannt, zwischen die aufeinanderfolgenden, im wesentlichen planen Platten vor dem Vergießen separate, stabförmige Distanzelemente einzulegen, um definierte, ausreichende Harzströmungskanäle zu schaffen. Das Einlegen solcher separater Distanzelemente in einen mehrlagigen Spulenkörper ist außerdem zu dem Zweck bekannt, blei bende Hohlkanäle zu schaffen, die im späteren Spulenbetrieb als Strömungskanäle eines zur Spulenkühlung hindurchgeleiteten Kühlmediums dienen.
  • Das Einlegen der einzelnen Distanzstäbe erschwert den Handhabungsvorgang zum Vorfertigen des zu vergießenden Spulenkörpers. Als Abhilfe ist bereits vorgeschlagen worden, siehe z.B. das Gebrauchsmuster DE 295 13 522 U1 , die Distanzstäbe einer jeweiligen Lage untereinander an einem bandförmigen Träger zu halten, so dass sie gemeinsam gehandhabt und leichter in ihrer Position fixiert werden können.
  • In der Gebrauchsmusterschrift DE 71 39 066 wird für diesen Zweck vorgeschlagen, Profilschienen in regelmäßigen Abständen auf einer biegsamen Bahn zu befestigen. In einem Ausführungsbeispiel werden Profilschienen mit einem T-förmigen Querschnitt verwendet, wobei sie mit der Fläche des T-Kopfbalkens an der biegsamen Bahn befestigt sind.
  • In der Patentschrift DE 31 01 217 C2 wird eine Wicklung für einen Trockentransformator oder eine Drosselspule beschrieben, bei welcher je zwei Wicklungslagen durch eine axial ausgerichtete Abstandshaltean ordnung auf Abstand gehalten werden, die den Hohlraum zwischen den Wicklungslagen in mehrere axial verlaufende Kühlkanäle unterteilt und miteinander im Abstand verbundene Stützschenkel aufweist, wobei jeweils zwei der Stützschenkel frei enden und paarweise zu einzelnen Distanzelementen starr miteinander verbunden sind. Die Stützschenkel bilden zusammen mit einem Verbindungssteg typischerweise einen U-, V- oder H-förmigen Querschnitt, wobei der Verbindungssteg im Querschnitt bogenförmig gestaltet sein kann, um aufliegende Kräfte besonders gut zu den Seiten hin abzuleiten.
  • In der Offenlegungsschrift DE 26 53 315 A1 ist ein Isolations- und Distanzierungskörper zur axialen Isolierung und Distanzierung von Spulenleitern, insbesondere von zylindrischen Spulen für Induktionstiegelöfen, beschrieben, der durch wenigstens einen, den Zwischenraum zwischen den zu isolierenden und zu distanzierenden Leitern nur teilweise ausfüllenden und der Leiterkrümmung hochkantig anpassbaren Isolationsstreifen gebildet ist. Der jeweilige Isolationsstreifen kann z.B. aus einer eindimensionalen Reihenanordnung von im Querschnitt rechteckförmigen, im Abstand nebeneinander liegenden Stegen bestehen, die miteinander über dünnere Verbindungsabschnitte verbunden sind und nutförmige Vertiefungen zur seitlichen Führung der Leiter aufweisen können. Zur Herstellung des Isolationsstreifens wird eine übliche Walztechnik vorgeschlagen, bei der ein oder mehrere Glasgewebebänder mit Harz getränkt und dann zwischen geheizten Walzen geformt und wenigstens teilweise polymerisiert werden. Die Polymerisation kann anschließend in einem geheizten Raum vervollständigt werden.
  • Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer Kunststoffplatte der eingangs genannten Art zugrunde, die sich in besonders einfacher Weise als z.B. elektrisch isolierende Flächenlage in mehrlagigen Flächenprodukten bei gleichzeitiger Distanzierung wenigstens eines Teils der Flächenlagen verwenden lässt und die bei Verwendung als elektrische Flächenisolierung in mehrlagigen Spulenkörpern und Kondensatoren eine Fertigung der Spule bzw. des Kondensators mit relativ geringem Aufwand in einer Weise ermöglicht, welche die Gefahr von auftretenden Teilentladungen im späteren Betrieb minimiert. Außerdem soll ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung einer solchen Kunststoffplatte bereitgestellt werden.
  • Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung einer Kunststoffplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eines zugehörigen Herstellungsverfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 4.
  • Bei der erfindungsgemäßen Kunststoffplatte ist auf wenigstens einer ihrer beiden Plattenseiten ein Distanzierungsprofil mit einem oder mehreren, von der Plattenebene vorstehenden Distanzierungselementen vorgesehen, wobei dieses Distanzierungsprofil aus dem Prepregmaterial beim Verpressen desselben herausgeformt ist. Das oder die Distanzierungselemente bestehen jeweils aus überschüssigem Harzmaterial, das beim Verpressen des Pregpregmaterials anfällt.
  • Eine Verwendung dieser Kunststoffplatte mit ihrem integrierten Distanzierungsprofil macht das Einbringen separater Distanzierungselemente, sei es als Einzelteile oder in einem Trägerverbund, zwischen die Lagen eines mehrlagigen Flächenbauteils, wie einer elektrischen Spule oder eines anderen elektrischen Mehrlagenbauteils, überflüssig. Es entfällt die Problematik, separate Distanzierungselemente nach deren Anbringen während nachfolgender Herstellungsschritte in der gewünschten Position halten zu müssen.
  • Die Bereitstellung des oder der integrierten Distanzierungselemente an der Kunststoffplatte selbst ist praktisch ohne zusätzlichen Fertigungsaufwand möglich, da das Distanzierungsprofil durch den ohnehin zur Bildung der Kunststoffplatte durchgeführten Pressvorgang zum Verpressen des Prepregmaterials erzeugt wird. Zudem besteht eine große Flexibilität hinsichtlich der Form, Anzahl und Verteilung der Distanzierungselemente über die Plattenfläche hinweg, d.h. es lassen sich praktisch beliebige gewünschte Distanzierungsmuster realisieren.
  • Die Bereitstellung mehrerer Distanzierungsprofile mit einzelnen, voneinander beabstandeten Distanzierungselementen in einer zweidimensionalen Anordnung gemäß der Erfindung ermöglicht beim Einsatz der Platte als elektrische Flächenisolierung die Schaffung eines durchgängigen, einteiligen Strömungsraums zwischen der Platte und einer deren Distanzierungselemente kontaktierenden, nächsten Lage, wobei dieser Strömungsraum zur Optimierung des Harzflusses beim Verguss oder als bleibender Kanal für die Hindurchleitung eines Temperiermediums dienen kann.
  • Gemäß Anspruch 2 weisen die Distanzierungselemente auf ihrer der Plattenfläche abgewandten Seite eine konvexe, d.h. nach außen vorgewölbte Querschnittsform auf. Dies hat zur Folge, dass eine angrenzende Lage das jeweilige Distanzierungselement im Querschnitt punkfförmig zuverlässig kontaktiert, ohne dass Hohlräume entstehen, die z.B. für zugeführtes Vergussharz schlecht zugänglich sind und so zu Vergussfehlern mit erhöhter Teilentladungsgefahr führen könnten.
  • Eine vorteilhafte Realisierung von Distanzierungsprofilen ist im Anspruch 3 angegeben.
  • Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Platte beinhaltet gemäß Anspruch 4 ausgehend von der herkömmlichen Vorgehensweise, das Prepregmaterial zwischen zwei Druckplatten einzubringen und unter Druck- und Temperatureinwirkung zu verpressen, die Maßnahme, wenigstens eine der beiden Druckplatten mit einer entsprechenden Distanzelement-Profilierung zu versehen, die dafür sorgt, dass im Pressvorgang das Distanzierungsprofil für die Kunststoffplatte aus dem Prepregmaterial herausgeformt wird. Dazu kann die Druckplatte beispielsweise mit entsprechenden Ausnehmungen oder Durchbrüchen versehen werden.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:
  • 1 eine ausschnittweise Draufsicht auf eine faserverstärkte Kunststoffplatte mit integriertem Distanzierungsprofil aus einer zweidimensionalen Anordnung paralleler, langgestreckter Distanzierungselemente,
  • 2 eine Querschnittansicht längs der Linie II-II von 1,
  • 3 eine zur 2 korrespondierende, ausschnittweise Querschnittansicht einer für die Herstellung der Kunststoffplatte von 1 durch Verpressen eines Prepregmaterials verwendeten Druckplatte mit Ausnehmungen,
  • 4 eine Ansicht entsprechend 3, jedoch für eine Druckplattenvariante mit Durchbrüchen, und
  • 5 eine schematische, ausschnittweise Querschnittansicht eines Ausschnitts eines mehrlagigen elektrischen Spulenkörpers, in welchem Platten gemäß 1 als Flächenisolierung verwendet sind.
  • 1 zeigt in einer ausschnittweisen Draufsicht eine faserverstärkte Kunststoffplatte 1, die durch Verpressen eines Prepregmaterials hergestellt wird. Dazu werden ein oder mehrere Prepreglagen in eine beheizte Ein- oder Mehretagenpresse zwischen zwei Druckplatten eingebracht und dann für einen vorgebbaren Zeitraum bei vorgebbarer Temperatur und vorgebbarem Druck zusammengepresst. Bei dem Prepregmaterial handelt es sich, wie an sich bekannt, um ein mit einem duroplastischen oder thermoplastischen Harzsystem getränktes Glas-, Kohlenstoff-, Kunststofffaser- oder Kunststofffolienmaterial oder eine Kombination solcher Materialien, wobei diese Materialien in Form von uni- oder mehrdirektionalen Geweben, Fliesen, Papieren oder Laminaten vorliegen. Beim Verpressungsprozess wird auf die eine oder mehreren Prepreglagen mit Hilfe der Druckplatten, die beispielsweise als Pressbleche realisiert sein können, ein gleichmäßiger Flächendruck ausgeübt. Durch geeignete, zuvor aufgebrachte Trennmedien, wie Trennfolien oder Trennmittel, wird nach dem Verpressen die Trennung von Harzmatrix und Druckplatten gewährleistet. Je nach Einzeldicke der Prepreglagen und Anzahl übereinandergestapelter Prepreglagen kann die faserverstärkte Kunststoffplatte 1 in beliebigen, gewünschten Dicken gefertigt werden.
  • Insoweit handelt es sich um eine herkömmliche Vorgehensweise, wobei herkömmlich im wesentlichen plane Druckplatten verwendet werden, was zu einer weitestgehend planen und glatten Oberfläche der hergestellten Kunststoffplatten führt. Alternativ kann die Plattenoberfläche eine gleichmäßige, z.B. geriffelte Textur aufweisen.
  • Im Unterschied dazu ist vorliegend wenigstens eine der beiden Druckplatten mit einer Distanzelement-Profilierung derart versehen, dass sich während des Pressvorgangs auf der ihr zugewandten Oberfläche des verpressten Prepregmaterials ein Distanzierungsprofil aus einzelnen, langgestreckten, stegförmigen Distanzierungselementen 2 ausbildet, die von der zugehörigen Plattenebene 3 der gefertigten Kunststoffplatte 1 vorstehen, wie dies in der Querschnittansicht von 2 deutlich zu erkennen ist.
  • Die Distanzierungselemente 2 bilden sich aus überschüssigem Harzmaterial, das beim Pressvorgang aus dem Prepregmaterial herausgedrückt wird. Die Distanzelement-Profilierung der betreffenden Druckplatte ist durch entsprechende Ausnehmungen oder Durchbrüche als Negativform realisiert, die von diesem Harzmaterial unter Bildung der Distanzierungselemente 2 gefüllt werden. Die 3 und 4 zeigen in ausschnittweisen Querschnittansichten zwei mögliche Druckplattengestaltungen. 3 veranschaulicht eine Druckplatte 4, bei der die Distanzelement-Profilierung aus jeweiligen Ausnehmungen 5 besteht. 4 zeigt eine Druckplatte 6, bei der die Distanzelement-Profilierung jeweilige Durchbrüche 7 beinhaltet, d.h. die Druckplatte 6 ist eine geeignet gelochte Platte. Die Ausnehmungen 5 bzw. die Durchbrüche 7 können in die jeweilige Druckplatte 4, 6 durch beliebige, hierzu bekannte Verfahren eingebracht werden, wie Einsägen, Ätzen oder Stanzen.
  • Das Muster und die Form der Ausnehmungen 5 bzw. Durchbrüche 7 in der betreffenden Druckplatte 4, 6 entsprechen dem gewünschten Muster und der gewünschten Form der Distanzierungselemente 2. Im gezeigten Beispiel von 1 sind die einzelnen Distanzierungsstege 2 in einem zweidimensionalen Feld parallel zueinander angeordnet. Sie bilden hierbei einzelne Reihen 2a, 2b, 2c, 2d die in Längsrichtung der Distanzierungselemente 2 um etwa deren Länge versetzt aufeinanderfolgen, während je zwei aufeinanderfolgende Reihen in Querrichtung um den halben Abstand benachbarter Distanzierungselemente versetzt sind.
  • Alternativ zum gezeigten Beispiel, bei dem die Distanzierungselemente 2 nur auf der einen Seite der faserverstärkten Kunststoffplatte 1 vorgesehen sind, ist die Bildung solcher integrierter Distanzierungselemente auch auf der anderen, gegenüberliegenden Plattenseite möglich. Dazu wird dann auch die zweite Druckplatte mit einer entsprechenden Distanzelement-Profilierung versehen. Je nach Bedarf können die Distanzelement-Profilierungen der beiden Druckplatten und damit die Distanzie rungsprofile auf den beiden Seiten der gefertigten Kunststoffplatte gleich oder beliebig unterschiedlich sein.
  • Form und Abmessung der Distanzierungselemente 2 können je nach Bedarf geeignet gewählt werden. Es ist lediglich darauf zu achten, dass ausreichend Harzmaterial für das Gesamtvolumen der Distanzierungselemente zur Verfügung steht. Dabei ist eine Distanzelementhöhe h im Bereich bis zum einem oder einigen Millimetern problemlos zu erzielen, was die allermeisten praktischen Anwendungen abdeckt.
  • Wie aus 2 des weiteren ersichtlich, besitzen die stegförmigen Distanzierungselemente 2 im Querschnitt mindestens in ihrem der Plattenebene 3 abgewandten Bereich 2' eine konvexe Form, die gewährleistet, dass bei Einsatz der Kunststoffplatte 1 in einem mehrlagigen Produkt die auf dieser Seite angrenzende Lage das jeweilige Distanzierungselement 2 im Querschnitt zuverlässig nur in einem Punkt kontaktiert, ohne dass eine Mehrpunktkontaktierung mit zwischenliegenden Hohlräumen auftritt, wie dies z.B. bei rechteckigen Querschnittsformen leichter der Fall sein könnte. In Längsrichtung können die Distanzierungselemente 2 je nach Bedarf durchgängig gleiche Höhe haben oder alternativ ebenfalls einen konvexen Verlauf zeigen, was die Gefahr von Hohlraumbildungen weiter minimiert.
  • 5 veranschaulicht schematisch die Anwendung von faserverstärkten Kunststoffplatten nach Art von 1 als elektrische Flächenisolierung in einer mehrlagigen elektrischen Spule 8, wobei ausschnittsweise nur drei Plattenlagen 10a, 10b, 10c gezeigt sind. Zur Bildung des Spulenkörpers werden Wicklungen 9a, 9b, die zwecks besserer Erkennbarkeit in 5 mit übertriebener Größe angedeutet sind, in an sich bekannter Weise hergestellt, indem Wicklungselemente 9a bzw. 9b mit Flächenisolierungen kombiniert zusammengestellt werden. Je nach Anwendungsfall können sich hierbei, wie im gezeigten Beispiel von 5, faserverstärk te Kunststoffplatten 10a, 10c, welche die integrierten Distanzierungselemente 2 aufweisen, mit andersartigen Lagen 10b abwechseln, z.B. mit faserverstärkten Kunststoffplatten, die nicht mit den Distanzierungselementen versehenen sind, oder es folgen nur Platten mit integrierten Distanzierungselementen aufeinander. Es können sich beispielsweise auch je eine Platte mit beidseitig vorgesehenen, integrierten Distanzierungselementen mit einer Platte ohne Distanzierungselemente beim Aufbau des Spulenkörpers abwechseln.
  • In jeder dieser möglichen Ausführungsformen bewirken die Distanzierungselemente 2, dass sich zwischen der zugehörigen Platte und der die Distanzierungselemente 2 kontaktierenden, angrenzenden Platte ein Zwischenraum 11 bildet, der im Fall des Distanzierungsprofils von 1 einteilig ist, alternativ aber auch aus einzelnen, getrennten Zwischenraumbereichen bestehen kann.
  • In einem Anwendungsfall kann der Zwischenraum 11 als ein bleibender Temperierraum fungieren, durch den im Betrieb der Spule 8 ein Temperiermedium hindurchgeleitet wird, um die Spule 8 z.B. zu kühlen. In einer anderen Anwendung dient der Zwischenraum 11 dazu, einen ausreichenden Strömungsraum für ein Vergussharz bereitzustellen, das zum Vergießen des Spulenkörpers eingebracht wird. Der so geschaffene Harzströmungsraum 11 unterstützt einen ungehinderten Fluss des Harzes und dadurch einen fehlerfreien und insbesondere hohlraumfreien Verguss des Spulenkörpers. Dies verhindert störende Teilentladungseffekte, wie sie im Spulenbetrieb an Vergussfehlstellen auftreten können. Hierzu trägt des weiteren die konvexe Form der Distanzierungselemente 2 in ihrem Kontaktbereich 2' bei, die auch bei unvermeidbaren Fertigungstoleranzen einen im Querschnitt punktförmigen Kontakt mit der angrenzenden Lage sicherstellt, bis zu dem das Vergussharz hohlraumfrei fließen kann.
  • Solchermaßen unter Verwendung der faserverstärkten Kunststoffplatten mit integrierten Distanzierungselementen gebildete Spulen sind vielfältig einsetzbar, beispielsweise in elektrischen Maschinen und Transformatoren sowie als Magnetspulen und Messspulen. Sie lassen sich durch die Verwendung dieser Platten vergleichsweise einfach und mit minimaler Anfälligkeit gegenüber Teilentladungen fertigen.
  • Es versteht sich, dass die Erfindung außer den gezeigten und oben erwähnten, faserverstärkten Kunststoffplatten auch Kunststoffplatten ohne Faserverstärkung und/oder mit andersartigem, integriertem Distanzierungsprofil umfasst, z.B. Platten mit eher punkt- bzw. kreisförmigen Distanzierungselementen. Die erfindungsgemäße Kunststoffplatte ist nicht nur für elektrische Spulen, sondern auch für mehrlagige Kondensatoren und auch auf anderen Gebieten überall dort einsetzbar, wo Bedarf an einer aus verpresstem Prepregmaterial hergestellten Kunststoffplatte mit zugehörigen Distanzierungsmitteln besteht.

Claims (4)

  1. Kunststoffplatte, insbesondere für elektrische Flächenisolierungen, aus verpresstem Prepregmaterial, wobei sie auf wenigstens einer Plattenseite ein Distanzierungsprofil aufweist, das beim Verpressen des Prepregmaterials aus diesem herausgeformt ist und einzelne, in der Plattenebene zweidimensional angeordnete und in zwei nicht-parallelen Richtungen voneinander beabstandete und von der Plattenebene (3) vorstehende Distanzierungselemente (2) beinhaltet.
  2. Kunststoffplatte nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzierungselemente (2) auf ihrer der Plattenfläche abgewandten Seite (2d) eine insgesamt konvexe Querschnittsform aufweisen.
  3. Kunststoffplatte nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch gekennzeichnet, dass das Distanzierungsprofil einzelne, langgestreckte Distanzierungselemente (2) in einer regelmäßigen zweidimensionalen Anordnung mit zueinander paralleler Orientierung beinhaltet.
  4. Verfahren zur Herstellung einer Kunststoffplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, insbesondere für elektrische Flächenisolierungen, aus verpresstem Prepregmaterial, bei dem – in einem Pressvorgang das Prepregmaterial zwischen zwei Druckplatten eingebracht und unter Druck- und Temperatureinwirkung verpresst wird, – auf wenigstens einer der beiden Druckplatten eine Distanzelement-Profilierung (5, 7) vorgesehen wird und – im Pressvorgang durch die Distanzelement-Profilierung an wenigstens der einen Druckplatte (3, 4) das Distanzierungsprofil mit den von der übrigen Kunststoffplattenebene (3) vorstehenden Distanzierungselementen (2) aus dem Prepregmaterial herausgeformt wird.
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