DE1490393C - Verfahren zur Herstellung von Isolierungen für elektrische Maschinen, Geräte oder Apparate - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Isolierungen für elektrische Maschinen, Geräte und Apparate durch Vergießen oder Imprägnieren mit zur Polymerisations- oder Polyadditionsreaktion fähigen Stoffsystemen. Solche Stoffsysteme sind beispielsweise aushärtbare Gießharze oder Imprägnierharze, wie sie in der Elektrotechnik heutzutage in großem Umfang eingesetzt werden, d. h. zum Beispiel Lösungen ungesättigter Polyesterharze in daran anpolymerisierbaren Monomeren, polymerisationsfähige Kohlenwasserstoffgemische aus Epoxidharz-Härtergemische mit Säureanhydridhärter.

So ist es bekannt, hochspannungsfeste Wicklungen für elektrische Maschinen in der Weise herzustellen, daß man um den zu isolierenden Leiter zunächst ein Glimmerband wickelt, das einen Stoff enthält, der die Härtungsreaktion des danach zur Imprägnierung der Isolierung verwendeten härtbaren Harz beschleunigt. Die Imprägnierung der zunächst trocken aufgebrachten Isolierung erfolgt vorzugsweise unter Vakuum durch Überfluten des isolierten Leiters mit dem härtbaren Harz. Nach dem Eindringen des aushärtbaren Harzes in die Isolierung des Leiters wird dieser aus dem Tränkbad herausgenommen und in eine Form getan, in der er während des Aushärtens des Imprägnierharzes verbleibt. Erst während dieser Aushärtung, die auch unter Wärmeeinwirkung stattfinden kann, löst sich der beschleunigende Stoff in dem Harz, so daß eine bedeutende Verkürzung der normalen Härtungsbedingungen eintritt.

Es ist weiterhin bekannt, Wandler, Spulen oder auch Sammelschienen in entsprechenden Formen mit aushärtbaren Harzen zu tränken und zu umgießen, so daß diese Bauelemente von einem Gießharzkörper eingeschlossen sind. Dieser Gießvorgang erfolgt meist in das Tränkgefäß bildenden, für das Gießharz undurchlässigen Formen (s. Patentanmeldung S 17951), welche die Maße des zu umgießenden Körpers genau vorgeben. An diesen Formen können Gießstutzen angeschlossen sein, die einen begrenzten Vorratsraum für das Gießharz bilden, damit dieses in der Anfangsphase des Aushärtens noch etwa nachfließen kann. Nach dem Aushärten entfernt man die Form und die Gießstutzen mit dem in ihnen verbliebenen ausgehärtetem Harzvorrat. Soll die Form jedoch das äußere Gehäuse des umgossenen Körpers bilden, so ist aus der deutschen Auslegeschrift 1 123 722 bekannt, das Gehäuse mit Schlitzen zu versehen, damit dieses eine gewisse Elastizität erhält, um der Schrumpf bewegung der Gießharze bei der Aushärtung folgen zu können und in fester Verbindung mit diesem zu bleiben. In diesem Fall wird noch eine weitere zusätzliche,· für das Gießharz undurchlässige Form während des Gießens und Aushärtens vorgesehen, welche die geschlitzte Form umgibt und so ein Austreten des Gießharzes durch die Schlitze verhindert.

Aus der'deutschen Patentschrift'929 686 ist ferner ein Verfahren zur Tränkung von Spulen bzw. Spulenwicklungen mit beider Tränkungflüssigen, nachträglich erhärtbaren Stoffen durch Überflutung im Tränkbad bekannt, bei dem jeweils nach der Tränkung das gesamte, im Tränkbad enthaltene Harz bis zur Zähflüssigkeit verdickt wird, ehe die getränkte Spule bzw. das Geräteteil aus dem Tränkbad entfernt wird. Dadurch soll ein Hcrausfließen des Tränkharzes aus dem getränkten Teil beim Herausnehmen vermieden werden. Dieses Verfahren hat aber den Nachteil, daß das im Tränkbad außerhalb des getränkten Gegenstandes verbleibende Tränkharz nur in den Fällen wiederverwendbar ist, in denen der Verdickungsprozeß durch Verwendung eines Lösungsmittels umkehrbar ist, das zum Angelieren verdampft und vor der Wiederver-Wendung des Tränkharzes diesem wieder zugesetzt wird. Handelt es sich dagegen um eine Angelierung durch eine Polymerisations- oder Polyadditionsreaktion, so ist das gesamte im Tränkbad verbleibende Harz nicht wieder einsetzbar. Außerdem ist bei diesem bekannten Verfahren keine Garantie gegeben, daß alle Hohlräume im Innern der zu tränkenden Teile ausgefüllt sind, da das verdickte Harz aus dem Tränkbad nicht mehr nachfließen kann. Dies kann unter Umständen eine mehrmalige Durchführung dieses Verfahrens notwendig machen, wodurch der Verlust an Lösungsmittel bzw. Tränkharz entsprechend vervielfacht wird. ■

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese bekannte Herstellungstechnik von Isolierungen, wie sie in der Elektrotechnik in großem Umfang für die Isolierung elektrischer Maschinen, Geräte oder Apparate angewendet wird, zu verbessern und insbesondere einen durch die Schrumpfung während des Aushärtens bedingten Harzverlust in der Isolierung zu vermeiden.

Bei dem Verfahren zur Herstellung von Isolierungen für elektrische Maschinen, Geräte oder Apparate durch Vergießen oder Imprägnieren mit zur Polymerisations- oder Polyadditionsreaktion fähigen Stoffsystemen, bei dem die mit einem Beschleuniger für die Polymerisations- oder Polyadditionsreaktion versehene Isolierung unter Anwendung von Vakuum mit dem zur Polymerisations- oder Polyadditionsreaktion fähigem Stoff system innerhalb eines Tränkgefäßes in einer gegenüber diesem Stoffsystem nicht dichten Form oder Hülle überflutet wird, verbleibt daher gemäß der Erfindung die Form oder Hülle mindestens bis zum Angelieren des in die Isolierung eingedrungenen Stoffsystemanteiles oder bis zu einer ein Ausfließen ausschließenden Viskositätserhöhung dieses Anteiles in überflutetem Zustand im Tränkbad.· Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist also, daß die Isolierung länger im überfluteten Zustand innerhalb des Tränkharzbades verbleibt, als dies für die Imprägnierung erforderlich ist, nämlich so lange, bis eine Angelierung oder zumindest eine ein Ausfließen ausschließende Viskositätserhöhung des* eingedrungenen Stoffsystemanteiles erfolgt ist. Auf diese Weise wird ein außerordentlich hoher Anteil an Harz in der Isolierung sichergestellt, da die während des Gelbildungsprozesses besonders starke Schrumpfung noch durch von außen in die nicht dichte Hülle ^!bder Form nachfließenden Harz ausgeglichen wird. Durch die erfolgte Angelierung des Harzes ist nach

55; dem Herausnehmen der Isolierung aus dem Bad ein j Harzverlust nicht mehr möglich. Dadurch werden j Lunker oder Hohlräume innerhalb der Isolierung ausgeschlossen.

Weiterhin ergibt sich für das Verfahren gemäß der

^Erfindung der Vorteil, daß billige und einfache Formen oder Hüllen verwendet werden können, da die Form nur konturgebend, nicht aber dicht zu sein braucht. Damit wird der bisher für das Imprägnieren oder Vergießen erforderliche Aufwand für die Formen erheblich vermindert. Der Aushärtungs- und der Imprägnierungsvorgang erfolgt also in ein und den-r selben Formen. Es empfiehlt sich, dafür zu sorgen, daß das für die Formen oder Hüllen verwendete. Ma-

terial gut formtrennende Eigenschaften hat, d. h. daß Kunststoff an ihm nicht haftet.

Speziell bei Wicklungsisolierungen elektrischer Maschinen kann als nicht dichte Form oder Hülle das Blechpaket der Maschine selbst dienen, in deren Nuten die Wicklung eingelegt wird. In diesem Fäll werden die Wicklungsleiter mit ihrer noch, nicht fertiggestellten Isolierung in die elektrische Maschine eingelegt, und anschließend wird die gesamte elektrische Maschine einschließlich der eingelegten Wicklungsleiter mit dem zur Polymerisations- oder Polyadditionsreaktion fähigen Stoffsystem getränkt und überflutet. Auch hierbei können die einzelnen Wicklungsleiter vor dem Einlegen der Nuten nach außen durch eine für das Imprägnierharz oder Gießharz durchlässige Hülse aus einem neutralen, also keinen Beschleuniger enthaltendem Material abgeschlossen werden. Die Maschine verbleibt dann so lange überflutet in dem Tränkbad, bis das in die Isolierung der Wicklungen eingedrungene Tränkharz angeliert ist und somit eine so hohe Viskosität erreicht hat, daß es beim Herausnehmen der Maschine aus dem Tränkbad nicht mehr ausfließen kann. Die Tränkung der Isolierungen, wenn sich die Wicklungen bereits in der Maschine befinden, hat den Vorteil, daß sich die Wicklungsleiter bereits in ihrer endgültigen Lage befinden und nach dem Aushärten nicht mehr verfqrmt werden müssen.

Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung können auch einzelne Stäbe oder Spulen imprägniert werden. Insbesondere eignet sich dieses Verfahren zum Imprägnieren von Spulen, die beim Einlegen in die Nuten stark deformiert werden müssen. Da das in die Isolierung dieser Spulen eingedrungene Imprägnierharz nach dem Herausnehmen aus dem Bad erst angeliert ist, lassen sich diese Spulen, gegebenenfalls unter leichtem Erwärmen, in dem zum Einlegen erforderlichen Maße deformieren. Nach dem Einlegen kann das in der Isolierung befindliche Harz endgültig ausgehärtet werden, indem die Spulen, beispielsweise durch Hindurchleiten von Strom, erhitzt werden. .

Das Verfahren gemäß der Erfindung eignet sich aber auch zur Herstellung von vergossenen elektri-. sehen Leitern, wie beispielsweise Stromschienen oder Spulen. Es lassen sich auf diese Weise elektrische Leiter mit verhältnismäßig dünnen Schichten versehen. Man geht zweckmäßigerweise in der Form vor, daß die Leiter in der gewünschten Lage fixiert und in einer für das Eindringen des Gießharzes durchlässigen Form angeordnet werden, in deren Hohlraum dann ein Gemisch aus inaktivem Füllstoff und Beschleuniger geschüttet wird, und daß die Form so lange '. in überflutetem Zustand verbleibt,' bis das in die Form eingedrungene Gießharz angeliert oder hochviskos geworden ist. Die Form wird dann dem Bad entnommen und außerhalb des Bades fertiggestellt. Auf diese Weise kann der elektrische Leiter mit einem sehr hohen. Gehalt an inaktivem Füllstoff umgössen werden. Das Einbringen des die Polymerisätions- oder Polyadditionsaktion des Gießharzes abkürzenden Beschleunigers in dem inaktiven Füllstoff kann vor dem Einschütten in die Form vorgenommen werden. Der Beschleuniger kann aber auch zonenweise beim Einschütten des Füllstoffes zusätzlich mit in die Form geschüttet werden. Das letzte Verfahren wird man insbesondere dann anwenden, wenn der Beschleuniger in die herzustellende Isolierung mit von innen nach außen abnehmender Konzentration eingebracht werden soll.

Durch den sehr hohen Anteil an inaktivem Füllstoff, wie er durch das Umschütten des Bauelementes in der Form ermöglicht wird, kann für die Isolierung ein Ausdehnungskoeffizient erreicht werden, der demjenigen von Metallen entspricht. So lassen sich mit einem Füllstoffgehalt von mindestens 50 Volumprozent Ausdehnungskoeffizienten von 15 bis 20 · 10~⁶ erzielen. Ein solcher Ausdehnungskoeffizient liegt in der gleichen Größenordnung wie der Ausdehnungskoeffizient von Kupfer, der 17 ■ 10-° beträgt. Es ist mit dem Verfahren gemäß der Erfindung daher möglich, auf metallische Leiter, insbesondere auf Kupfer,

¹S dünne Isolierschichten temperaturfest aufzubringen, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Dies ist für hochbelastete Spulen, wie es beispielsweise Polspulen sind, zur Abfuhr der entstehenden Wärme sehr wesentlich. ■

Im folgenden sei die Erfindung noch an Hand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert. Das erste Ausführungsbeispiel betrifft die Imprägnierung von bereits in die Ständer- oder Läufernuten einer elektrischen Maschine eingelegten Wicklungen.

Die in Form von Stäben oder Spulen ausgebildeten Leiter der Wicklung einer elektrischen Maschine werden zunächst mit einer Isolierung aus auf die Leiter aufgewickelten Bahnen oder Bändern umgeben. Man verwendet dazu insbesondere Glimmerbänder, die in an sich bekannter Weise aus einer wärmebeständigen dünnen Unterlage aus Papier,, Gewebe oder Kunststoffolie bestehen, auf die mehrere Schichten von Glimmerblättchen aufgebracht und dann durch eine dünne wärmebeständige Decklage abgeschlossen sind.

Die Glimmerblättchen werden untereinander sowie mit der Unterlage und der Decklage durch ein geeignetes Bindemittel verklebt. In bekannter Weise wird als Bindemittel ein Klebeharz verwendet, das sich vollständig in das später zum Imprägnieren verwendete Imprägnierharz einbauen läßt. Der Gehalt <ut Bindemitteln beträgt.etwa 3 bis 7%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Glimmerbandes.

Dieses Glimmerband enthält gleichzeitig den die Polymerisations- oder Polyadditionsreaktion abkür-

*5 zenden Beschleuniger für das Imprägnierharz. Zweckmäßig ist dieser Beschleuniger derart gewählt, daß er ■gemeinsam mit dem im Glimmerband enthaltenden Bindemittel zur Lösung in dem bei der Imprägnierung eindringenden Imprägnierharz eine längere Zcit-

spanne braucht, als sie für die Durchdringung der Isolierung mit dem Imprägnierharz benötigt wird. Dennoch ist diese Zeitspanne klein gegenüber der an_r gestrebten Gelierzeit. Während nämlich die zur Lösung des Beschleunigers erforderliche Zeitspanne nach

Minuten zu bemessen ist, erfordert die zur angestrebten Gelierung erforderliche Zeit ein, zwei oder drei Stunden."

Dann wird als äußere Hülle auf jede Isolierung ein Band aus einem neutralen, also keinen Beschleuniger

enthaltendem Material aufgewickelt. Diese Hüllen haben zwei Funktionen zu erfüllen. Sie sollen einmal innerhalb des Imprägnierharzbades den Bereich, in dem eine Gelierung angestrebt wird, gegenüber dem Band, in dem eine Viskositätserhöhung möglichst ver-

mieden werden soll, abgrenzen, ohne das Eindringen von Imprägnierharz in die Isolierung zu erschweren. Ferner geben sie der herzustellenden Isolierhülse die gewünschte äußere Gestalt.

Die derart einschließlich der Wickelköpfe umbandelten Leiter werden dann in die Nuten des Ständers bzw. Läufers eingelegt. Anschließend wird der Ständer bzw. Läufer einschließlich der eingelegten Wicklung in ein Imprägnierharzbad getaucht, so daß er vollständig mit Imprägnierharz überflutet ist. Gegebenenfalls kann diese Imprägnierung in an sich bekannter Weise auch unter Anwendung von Vakuum vorgenommen werden.

Infolge des in der Isolierung der Wicklungsleiter befindlichen Beschleunigers beginnt das in die Isolierung eingedrungene Imprägnierharz zu gelieren. Da die Isolierung jeden Wicklungsleiters einschließlich der Wickelköpfe nach außen durch eine aufgewickelte Hülle aus neutralem, also keinen Beschleuniger enthaltendem Material umgeben ist, bleibt der Gelierungsprozeß auf das Innere der Wicklungsisolierung beschränkt. Insbesondere wird durch die Hülle das Herausspülen von Beschleuniger in das Imprägnierharzbad erschwert, so daß eine lange Gebrauchsdauer des Bades erhalten bleibt. Diese Hülle ist aber gegenüber dem Imprägnierharz nicht dicht, so daß das Eindringen des Imprägnierharzes, vor allem, wenn das Imprägnieren im Vakuum vorgenommen wird, nicht behindert wird. ₂j

Der angestrebte Gelierungsprozeß kann weiterhin noch dadurch verbessert werden, daß die Wicklungsleiter des im Imprägnierharzbad befindlichen Ständers bzw. Läufers mit Strom elektrisch beheizt werden, so daß die Temperatur der Spulen gegenüber der Temperatur des Bades stark erhöht wird. Hierdurch. wird die Gelierzeit des in die Wicklungsisolierung eingedrungenen Imprägnierharzes erheblich verkürzt.

Nach dem Angelieren des in die Wicklungsisolierung eingedrungenen Imprägnierungsharze wird der Ständer bzw. Läufer dem Bad entnommen. Die Zeitspanne, während der der Ständer bzw. Läufer in überflutetem Zustand verbleibt, hängt von dem verwendeten Imprägnierharz, dem benutzten Beschleuniger und der Temperatur des Bades ab. Wesentlich für die Erfindung ist jedoch, daß beim Herausnehmen des Ständers oder Läufers aus dem Bad das in der Isolierung befindliche Imprägnierharz bereits so hochviskos ist. daß ein Auslaufen dieses Harzes aus der Isolierung ausgeschlossen ist. Aus den übrigen Teilen des aus dem Bad herausgenommenen Ständers oder Läufers kann das Harz hingegen ungehindert ablaufen. Anschließend wird der Ständer bzw. Läufer in einem Ofen auf die zur endgültigen Aushärtung des in der Isolierung befindlichen, bereits angegliederten Imprägnierharzes erforderliche Temperatur erhitzt. Diese Temperatur liegt in der Regel höher als die Temperatur des mit Imprägnierharz gefüllten Bades.

Falls erwünscht, können die Hüllen aus dem neutralen Material an den Wickelköpfen beim Herausnehmen des Ständers bzw. Läufers aus dem Bad entfernt werden. Beläßt man jedoch diese Hüllen beim Herausnehmen des Ständers bzw. Läufers aus dem Bad auf den Wickelköpfen, so empfiehlt sich vor dem endgültigen Aushärten ein zusätzliches Einstreichen der Hüllen mit Beschleuniger.

Als zweites Ausführungsbeispiel sei die Herstellung einer Polspule näher beschrieben.

Eine Polspule besteht aus Flachkupferleitern, die mit ihren Flachseiten übereinander liegen und durch Isolierzwischenlagen voneinander getrennt sind. Zur Herstellung einer solchen Polspule werden die Flachkupferleiter in eine Form in einer solchen Lage angeordnet und mit Hilfe von Abstandshaltern in einem solchen Abstand voneinander gehalten, wie es ihrer Lage in der fertigen Polspule entspricht. Die Form wird dann mit einem inaktiven Füllstoff, beispielsweise mit grobem Quarzmehl mit einer Körnung von 0,2 bis 0,5 mm, gefüllt. Vermischt mit diesem Füllstoff ist ein die Polymerisations- oder Polyadditionsreaktion des Gießharzes abkürzender Beschleuniger. Beim Einschütten dieses Gemisches aus Füllstoff und Beschleuniger können die Abstandshalter zwischen den Flächkupferleitern entsprechend der fortschreitenden Füllung der Form entfernt werden, da die Lage sowie der gegenseitige Abstand der Flachkupferleiter durch das Gemisch aus Füllstoff und Beschleuniger gewährleistet ist. Die Abstandshalter können aber auch in der Form verbleiben.

Die zur Herstellung der Polspule verwendete Form muß für das Eindringen des Gießharzes durchlässig sein. Es reicht hierzu aus, daß die an den Kanten der Form zusammenstoßenden Außenwandungen nicht abgedichtet werden. Durch diese Spalte dringt das Gießharz nach dem Überfluten der Form vor allem bei der Anwendung von Vakuum in ausreichendem Maße ein. Erforderlichenfalls kann die Form aber auch mit zusätzlichen Öffnungen für den Eintritt des Gießharzes versehen werden. Dadurch, daß die Form nicht durchlässig sein muß, vermindert sich der für die Form benötigte Aufwand beträchtlich gegenüber bisher für das Vergießen von Bauelementen verwendeten Formen. Nach dem noch im überfluteten Zustand erfolgenden Angelieren bzw. Hochviskoswerden wird die Form dem Gießharzbad entnommen. In einem Ofen wird dann das in die Form eingedrungene Gießharz bei erhöhter Temperatur ausgehärtet und die Polspule somit endgültig fertiggestellt.

Durch das beschriebene Verfahren zur Herstellung einer Polspule läßt sich ein Volumenanteil von über 50% Füllstoff erzielen. Infolge der hierdurch erreichten Angleichung der Ausdehnungskoeffizienten zwischen der ausgehärteten Gießharzschicht und den von dieser Schicht eingeschlossenen Kupferleitern haftet die Isolierung der Polspule trotz, ihrer geringen Dicke auch bei starken Wärmespielen fest auf den Kupferleitern.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Isolierungen für elektrische Maschinen, Geräte oder Apparate durch Vergießen oder Imprägnieren mit zur Polymerisations- oder Polyadditionsreaktion fähigen Stoffsystemen, bei dem die mit einem Beschleuniger für die Polymerisations- oder Polyadditionsreaktion versehene Isolierung unter Anwendung von Vakuum mit dem zur Polymerisations- oder Polyadditionsreaktion fähigen Stoffsyslem innerhalb eines Tränkgefäßes in einer gegenüber diesem Stoffsystem nicht dichten Form oder Hülle überflutet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung mindestens bis zum Angelieren des in die Form oder Hülle eingedrungenen Stoffsystemanteiles oder bis zu einer ein Ausfließen auschließendcn Viskositätserhöhung dieses Anteiles in überflutetem Zustand im Tränkbad verbleibt.

2. Verfahren zur Herstellung der Isolierung der Wicklungsleiter einer elektrischen Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Wicklungsleiter mit ihrer noch nicht fertiggestellten Isolierung in die elektrische Maschine
eingelegt werden und daß anschließend die gesamte elektrische Maschine einschließlich der
eingelegten Wicklungsleiter mit dem zur Poly- 5
rherisations- oder Polyadditionsreaktion fähigen
Stoffsystem getränkt und überflutet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge-

kennzeichnet, daß die Leiter in der gewünschten Lage fixiert und in einer Form angeordnet werden, in deren Hohlraum dann ein Gemisch aus inaktivem Füllstoff und Beschleuniger geschüttet wird, und daß die Form so lange in überflutetem Zustand verbleibt, bis das in die Form eingedrungene Gießharz angeliert oder hochviskos geworden· ist.