DE1210946B - Verwendung eines modifizierten Epoxydharzes als Bindemittel einer Glimmerschichtisolation in elektrischen Maschinen - Google Patents

Description

• Verwendung eines modifizierten Epoxydharzes als Bindemittel einer Glimmerschichtisolation in elektrischen Maschinen Es ist seit einigen Jahren üblich, für die Hauptisolation von Statorspulen von Turbogeneratoren einen zusammengesetzten Schichtstoff aus Glimmer und Harzbindemittel zu verwenden.
• Dieses Material kann nach zwei Verfahren verarbeitet werden. Nach dem ersten wird auf die Spule ein Bandmaterial aufgebracht, das z. B. aus einem auf eine Gewebeunterlage aufgebrachten Glimmerpapier oder aus Glimmersplittings besteht und anschließend mit einem Kunstharz imprägniert wird. Als Imprägniermittel kann ein in einem Lösungsmittel geeignetes Harz verwendet werden. Dieses Verfahren erfordert einen Trockenprozeß unter Vakuum und bei erhöhter Temperatur, um das Lösungsmittel zu entfernen, mit anschließender Verfestigung und Härtung. Im allgemeinen ist es vorteilhaft, ein lösungsmittelfreies System zu verwenden, in dem die Lösungsmittelkomponente in das Harz eingebaut wird.
• Bei dem zweiten Verfahren wird ein Band ähnlich dem obengenannten mit einer Kunstharzlösung imprägniert. Das teilweise getrocknete Band wird um die Spule in diesem Zustand gewickelt. Nach sorgfältigem Trocknen unter Vakuum wird die Spule verfestigt und das Harz gehärtet.
• Beide Verfahren weisen Vor- und Nachteile auf. So kann z. B. Styrol als reaktives Lösungsmittel im erstgenannten Verfahren verwendet werden, wodurch bei hoher Styrolkonzentration gute Werte für den Leistungsfaktor erzielt werden. Ein derartiges System weist eine niedrige Viskosität auf und neigt dazu, schnell von der imprägnierten Spule abzutropfen. Probleme bezüglich Tränkung und Lagerung treten bei dem zweiten Verfahren nicht auf, und die Werte für den Leistungsfaktor sind bei den benutzten Harzen gleich. Dennoch ist es schwierig, bei diesem Verfahren die hervorragenden Werte für den Leistungsfaktor, wie sie beim Imprägnierprozeß auf Styrolbasis erzielt werden, zu erreichen.
• Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung eines Gemisches aus Epoxydharz und einem Copolymeren aus einem olefinisch ungesättigten Kohlenwasserstoffmonomeren und einer olefinisch ungesättigten Carbonsäure als Bindemittel einer Glimmerschichtisolation in elektrischen Maschinen.
• Das Bindemittel gemäß der Erfindung wird durch Umsetzung eines Epoxydharzes mit einem Copolymeren aus einem olefinisch ungesättigten Kohlenwasserstoffmonomeren und einer olefinisch ungesättigten Carbonsäure erhalten.
• Solch ein Harzmittel nach der Erfindung kann entweder durch Blockpolymerisation oder in einem Lösungsmittel hergestellt werden, wie in den folgenden Beispielen näher erläutert wird.
• Beispiel 1 Ein Copolymeres aus Styrol und Acrylsäure wurde unter Verwendung von Benzoylperoxyd durch Blockpolymerisation hergestellt. Die Reagenzien wurden in folgendem Verhältnis verwendet: 330 Gewichtsteile Styrol (redestilliert), 57,2 Gewichtsteile Acrylsäure, 0,77 Gewichtsteile Benzoylperoxyd (rekristallisiert).
• Die Mischung wurde in evakuierte Pyrexgläser eingefüllt und 24 Stunden bei 95 bis 1051 C und anschließend 3 Stunden bei 140' C erhitzt. Nach Zerbrechen der Ampulle wurde das Copolymere zerkleinert und ohne Reinigung zwecks Entfernung von nicht umgesetzten Monomeren in einer Mischung von gleichen Teilen Cellosole und Xylol aufgelöst, so daß ein 30 %iger Harzgehalt erhalten wurde. Zu dieser Lösung wurden dann stöchiometrische Mengen (bezogen auf den theoretischen Carboxylgehalt) eines Epoxydharzes mit einem Epoxydäquivalent von 190 zugegeben (ein derartiges Harz ist z. B. im Handel unter dem Warenzeichen »Epikote 828« erhältlich und wird von der Firma Shell Chemical Company hergestellt). Es wurde berechnet, daß 128,5 Gewichtsteile an Epoxydharz für 330 Gewichtsteile des Polymeren erforderlich waren. Die daraus hergestellte Lösung wurde zum Imprägnieren von 76 #t starkem Glimmerpapier verwendet, das auf für die Hochspannungselektrode durchgeführt, die beiden Seiten mit einem 25 R dicken Glasgewebe kaschiert war. Von diesem wurden Streifen geschnitten, die für die Umwicklung einer Musterspule für den Stator dienten. Um einen ausreichenden Harzgehalt zu gewährleisten, wurde die Harzlösung auch zwischen die Windungen eingestrichen. Das Lösungsmittel wurde durch Vakuumtrocknen bei 60'C und 5 Torr entfernt, wobei die zusammengesetzte Glimmer-Glas-Harzisolation unter Druckeinwirkung in einer geheizten Presse bei 1601 C während 16 Stunden verfestigt und gehärtet wurde. Das so hergestellte Spulen-rauster war frei von Hohlräumen, wie die folgenden - tan-ö-Spannungsmessungen bei 21' C zeigen.

  Spannung Beanspruchung tau b

  kv Volt/2,5 - 10-3 cm

  1 8 0,005

  3 25 0,005

  5 41 0,005

  7 58 0,005

  8 66 0,005

  tan-ö-Temperaturmessungen ergaben folgende Werte bei 1 kV entsprechend 8,4 Volt/2,5 - 10-3 CM:

  Temperatur
  0 tau ä
  20 0,005
  62 0,007
  79 0,009
  100 0,018
  120 0,031
  140 0,029

  Der Übergang von dem hartelastischen in den thermoelastischen Zustand lag bei dieser zusammen- gesetzten Isolation bei etwa 110 bis 120' C.
• Andere ungesättigte Carbonsäuren können an Stelle der Acrylsäure verwendet werden, z. B. Methacrylsäure, Maleinsäureanhydrid oder Maleinsäure, Fumarsäure oder Itaconsäure. Beispiel 2 Die tan-b-Temperatur-Beziehung einer zusammen- gesetzten Isolation eines Glimmerpapieres, das mit einem Styrol-Methacrylsäure-Copolymeren imprägniert worden war, ün molekularen Verhältnis wie oben für Acrylsäure, nämlich wie 4: 1, und mit stöchiometrischen Mengen vonEpoxydharz (bezogen auf den theoretischen COOH-Gehalt) vernetzt worden war, ergab folgende Werte:

  Temperatur
  0 C tau 3
  23 0,022
  66 0,019
  84 0,020
  105 0,027
  124 0,041
  145 0,075

  Die Messungen wurden bei einer Beanspruchung von 25 Volt/2,5.10-3 CM Mit einer Graphitelektrode e einen - Dur, chinesser vo n- 7,5 cm-. besaß, während - die Gegenelektrode 5 cm Durchmesser hatte und mit einem Schutzring umgeben war.
• Das ungesättigte Monomere kann auch gewisse andere'Verbindungen als Styrol enthalten, wie z. B. Vinyltolüol, welches ebenfalls niedrige Verlustwerte ergibt. Eine verbesserte Flexibilität kann durch Verwendung anderer Comonomerer, wie z. B. Äthylacrylat, erreicht werden, doch geht dies meist auf Kosten der elektrischen Eigenschaften.
• Beispiel 3 Die folgenden Werte für die tan-b-Temperaturbeziehung wurden für einen Glimmerpapierschichtstoff erhalten, der unter Verwendung eines Copolymeren aus Äthylacrylat und Acrylsäure mit einem Gehalt -an 10 Gewichtsprozent Acrylsäure durch Blockpolymerisation hergestellt wurde unter Verwendung von 0,2% Benzoylperoxyd und das mit einem Epoxydharz mit einem Epoxydäquivalent von 200 vernetzt wurde. Der Schichtstoff wurde durch Erhitzen m* einer elektrisch beheizten Presse während 16 Stunden bei 160' C gehärtet; das gehärtete Copolymere war bei der Raumtemperatur flexibel.

  Temperatur
  0 tau 8
  20 0,063
  60 0,054
  90 0,23
  110 0,45
  120 0,46
  142 0,35

  Die Bedingungen für die Messungen waren die gleichen wie im Beispiel 2.
• Beispiel 4 Es kann zweckmäßig sein, das Ausgangscopolymere durch ein anderes Verfahren als das der in den vorhergehenden Beispielen beschriebenen Blockpolymerisation herzustellen.
• Copolymere aus Styrol und Acrylsäure, und Styrol und Methacrylsäure können aus einem Lösungsmedium wie folgt hergestellt werden: Die Komponenten I wurden am Rückflußkühler bei 112 bis 1191' C unter Stickstoffatmosphäre während der angegebenen Zeit behandelt und dann auf 1001 C abgekühlt. Die Komponenten unter II wurden dann hinzugefügt und das Ganze auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Säurezahl der Harzlösung wurde bestimmt, der berechnete Wert an Epoxydharz hinzugefügt und die erhaltene Lösung durch Glaswolle filtriert. Die tan-b-Temperaturwerte des Glimmerpapierschichtstoffes unter Verwendung von Styrol-Methacyrlsäure-Harzlösung waren folgende:

  Temperatur tau ö
  24 0,011
  60 0,010
  75 0,012
  90 0,014
  108 0,0145
  125 0,015
  138 0,018
  25 0,0092

  In den beschriebenen Beispielen wurde durchweg als Epoxydharz Epikote 828 verwendet. Dies ist ein im Handel erhältliches Material mit einem verhältnismäßig niedrigen Molekulargewicht (etwa 400). Andere mehrfunktionelle Epoxydharze und Verbindungen können verwendet werden, jedoch ist eine Erhöhung des Anteiles an Epoxydharz notwendig, wenn ein Material mit höherem Molekulargewicht verwendet wird mit einer möglichen Verschlechterung der Werte für die tan-ö-Temperaturbestimmung.
• In dem Copolymeren aus Styrol und ungesättigter Säure betrug das molare Verhältnis von Styrol zur Säure 4: 1. Dieses Verhältnis ergibt zufriedenstellende tan-ö-Temperaturwerte und einen übergang vom hartelastischen in den thermoelastischen Zustand bei der geforderten Temperatur, jedoch können auch andere Verhältnisse gewählt werden.
• Das beschriebene Isolationsverhältnis kann schnell hergestellt werden und erfordert keine besonderen technischen Spezialbehandlungen, die außerhalb der normalen elektrotechnischen Ingenieurtätigkeit liegen. Die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Isolation sind gut, und die niedrigen tan-b-Werte bleiben erhalten bei einer Alterung in der Luft bei erhöhter Temperatur, z. B. wurden nach Alterung während 2700 Stunden bei 140' C folgende tan-ö-Temperaturwerte für ein Spulenmuster, wie es im Beispiel 1 beschrieben worden ist, erhalten, das mit einer Styrol-Acrylsäure-Harzkombination isoliert war. Folgende Werte wurden zum Vergleich mit den anderen Beispielen erhalten. Angewandte Spannung: 1 kV = 8,4 Volt/2,5 - 10-3 cm. tau Ö (nach Alterung Temperatur tan 3 2700 Stunden 0 C (nach Herstellung) bei 1400 Q 20 0,005 24 0,0056 62 0,007 65 0,0056 79 0,009 0,0063 95 0,012 100 0,018 115 0,029 120 0,031 138 0,039 140 0,029 Das Bindemittel für die Glimmerschichtstoffe zur Herstellung einer Epoxydharzisolation ist nicht nur auf die Anwendung für Wicklungen in Ständern von elektrischen Maschinen beschränkt, sondern kann sinngemäß auch für die Isolation von Rotoren sowohl in Generatoren als auch in Motoren dienen, wo für die Spulenisolation verbesserte mechanische und elektrische Werte bei erhöhter Betriebstemperatur gefordert werden.

Claims (2)

1. Patentansprüche: 1. Verwendung eines Gemisches aus Epoxydharz und einem Copolymeren aus einem olefinisch ungesättigten Kohlenwasserstoffmonomeren und einer olefinisch ungesättigten Carbonsäure als Bindemittel einer Glimmerschichtisolation in elektrischen Maschinen.
2. 2. Verwendung eines Gemisches nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kohlenwasserstoffmonomeres Styrol verwendet wird. 3. Verwendung eines Gemisches nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ' daß als ungesättigte Carbonsäure Acryl- und/oder Methacrylsäure verwendet wird. 4. Verwendung eines Gemisches nach Ansprach 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für das Copolymere aus Styrol und ungesättigter Säure ein molares Verhältnis von 4: 1 verwendet wird. 5. Verwendung eines Gemisches nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Epoxydharz ein Harz mit einem Epoxydäquivalent von etwa 190 verwendet wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Firmenschrift der Deutschen Shell AG, »Epikote I-1«, vom September 1957.