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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Kunststoffplatte aus verpresstem
Prepregmaterial und auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen
Kunststoffplatte.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Eine
vorteilhafte Realisierung von Distanzierungsprofilen ist im Anspruch
3 angegeben.
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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.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend
beschrieben. Hierbei zeigen:
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1 eine
ausschnittweise Draufsicht auf eine faserverstärkte Kunststoffplatte mit integriertem Distanzierungsprofil
aus einer zweidimensionalen Anordnung paralleler, langgestreckter
Distanzierungselemente,
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2 eine
Querschnittansicht längs
der Linie II-II von 1,
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3 eine
zur 2 korrespondierende, ausschnittweise Querschnittansicht
einer für
die Herstellung der Kunststoffplatte von 1 durch
Verpressen eines Prepregmaterials verwendeten Druckplatte mit Ausnehmungen,
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4 eine
Ansicht entsprechend 3, jedoch für eine Druckplattenvariante
mit Durchbrüchen,
und
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5 eine
schematische, ausschnittweise Querschnittansicht eines Ausschnitts
eines mehrlagigen elektrischen Spulenkörpers, in welchem Platten gemäß 1 als
Flächenisolierung
verwendet sind.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.