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Die Erfindung befaßt sich mit der Isolierung für elektrische Maschinen,
Geräte oder Apparate, die durch Vergießen oder Imprägnieren und anschließender Aushärtung
von zur Polymerisations- oder Polyadditionsreaktion fähigen Gieß- oder Imprägnierharzen
erhalten wird, wie sie heutzutage in großem Umfang eingesetzt wird. So werden bekanntlich
hochspannungsfeste Wicklungen für elektrische Maschinen in der Weise hergestellt,
daß um den zu isolierenden Leiter zunächst ein Glimmerband gewickelt wird; die derart
auf den Leiter aufgewickelte Isolierung wird dann nach der Trocknung mit einem aushärtbaren
Imprägnierharz imprägniert. Weiterhin ist es bekannt, Wandler, Spulen oder auch
Sammelschienen mit aushärtbaren Gießharzen zu umgießen, so daß diese Bauelemente
von einem Gießharzkörper eingeschlossen sind.
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Bei dieser in der Elektrotechnik zur Herstellung einer Isolierung
in großem Umfang üblichen Verwendung von zur Polymerisations- oder zur Polyadditionsreaktion
fähigen Gieß- oder Imprägnierharzen ist es häufig erwünscht, den zeitlichen Ablauf
der Reaktion während der Herstellung der Isolierung zu lenken. Gemäß der Erfindung
wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß an sich bekannte Verbindungen unterschiedlicher
Art und/oder unterschiedlicher Konzentration, die die Reaktionsdauer des Gieß- oder
Imprägnierharzes beeinflussen, in Teilvolumina der Isolierung eingebracht sind.
Auf diese Weise ist es möglich, die Polymerisations- oder Polyadditionsreaktion
in bestimmten Teilvolumina der herzustellenden Isolierung zu beschleunigen oder
auch zu verzögern, so daß der zeitliche Ablauf der Reaktion in gewünschter Weise
gelenkt werden kann.
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Hierdurch wird z. B. erreicht, daß an den Stellen, die eine hohe Konzentration
an die Reaktionsdauer abkürzenden Verbindungen aufweisen, bereits sehr schnell eine
hohe Viskosität des in die herzustellende Isolierung eingedrungenen Stoffsystems
erreicht wird, so daß unabhängig von den weiteren Verarbeitungsschritten ein Ausfließen
des eingedrungenen Harzsystems an diesen Stellen nicht mehr möglich ist. Außerdem
wird der infolge einer Schrumpfung eintretende Schwund ausgeglichen, da infolge
der unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeit in den Teilvolumina des herzustellenden
Gebildes stets ein Nachfließen des beim Imprägnieren oder Vergießen eindringenden
Stoffsystems aus den Bereichen mit noch niedrigerer Viskosität möglich ist.
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Als zur Polymerisationsreaktion fähige Stoffsysteme (Gieß- oder Imprägnierharze)
können in Durchführung des Erfindungsgedankens Lösungen ungesättigter Polyesterharze
in daran anpolymerisierbaren Monomeren, wie z. B. Styrol, verwendet werden. Weitere
geeignete Stoffsysteme sind polymerisationsfähige Kohlenwasserstoffgemische, wie
z. B. Lösungen von Butadien-Styrol-Polymerisaten in Styrol oder ähnlichen Kohlenwasserstoffen.
Auch Mischungen von Styrol mit Vernetzern, wie z. B. Divinylbenzol, Divinylacetylen
oder ähnlichen Verbindungen, sind im Rahmen der Erfindung geeignet. Es lassen sich
aber auch flüssige vinylgruppenhaltige Polysiloxane oder bi- oder polyfunktionelle
Acrylate sowie Methacrylate bzw. Mischungen hiervon verwenden.
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Die Polymerisation dieser Stoffsysteme wird bekanntlich durch organische
Peroxyde eingeleitet. Damit die Polymerisation in kürzerer Zeit verläuft und damit
das zur Polymerisation erforderliche Temperaturniveau möglichst niedrig ist, werden
die Polymerisationsreaktion abkürzende Verbindungen zugesetzt, die auf das verwendete
organische Peroxyd abgestimmt sind. Für die genannten, zur Polymerisationsreaktion
fähigen Stoffsysteme kommen als die Reaktionsdauer abkürzende Verbindungen z. B.
gemischt aliphatisch-aromatische tertiäre Amine oder Sauerstoff übertragende Metallsalze
in Frage. Beispiele von tertiären aliphatisch-aromatischen Aminen sind Dimethyl-p-toluidin
oder Verbindungen, die diese Gruppe mehrfach im Molekül enthalten, wie z. B. 4,4',4"-Dimethylaminotriphenylcarbinol.
Ein Beispiel eines geeigneten Metallsalzes ist Kobaltstearat.
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Im Rahmen der Erfindung können aber auch zu einer Polyadditionsreaktion
fähige Stoffsysteme verwendet werden. Beispiele hierfür sind Epoxydharz-Härter-Gemische
mit Säureanhydridhärtern. Für diese Harz-Härter-Gemische können als die Polyadditionsreaktion
beschleunigende Stoffe Verbindungen auf der Basis tertiärer Amine, wie z. B. Dimethylbenzylamin,
Triisooktylamin oder Triäthanolamin, verwendet werden. Als die Polyadditionsreaktion
abkürzende Verbindungen sind in diesem Fall aber auch komplexe Borverbindungen geeignet,
bei denen die Elektronenoktettlücke des Boratoms durch ein freies Elektronenpaar
des Stickstoffatoms einer geeigneten Aminverbindung geschlossen ist, wie z. B. Triäthanolaminborat
oder Komplexverbindungen aus Bortrifluorid und Äthylamin oder Piperidin. Schließlich
eignen sich bei Epoxydharz-Härter-Gemischen als die Polyadditionsreaktion abkürzende
Verbindungen auch in organischen Lösungsmitteln lösliche Zinksalze, z. B. Zinkoleat
oder Zinknaphthenat.
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Die Höchstkonzentration für die erwähnten, die Polymerisation abkürzenden
Verbindungen soll im allgemeinen die Menge von 1 Gewichtsprozent, bezogen auf das
reaktionsfähige Stoffsystem, nicht überschreiten. Für die die Polyadditionsreaktion
abkürzenden Verbindungen ist der Spielraum, in welchem diese Verbindungen zugesetzt
werden können, größer; die Höchstkonzentration dieser Verbindungen kann im Einzelfall
etwa bis zu 10°/o betragen. Von diesen Höchstwerten kann die Konzentration an den
die Reaktion abkürzenden Verbindungen in einzelnen Teilvolumina des herzustellenden
Gebildes bis zum Wert Null abnehmen.
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Während des Imprägnierens oder Vergießens besteht beim Eindringen
des reaktionsfähigen Stoffsystems in das herzustellende Gebilde die Gefahr, daß
die die Reaktionsdauer beeinflussenden, vorzugsweise abkürzenden Verbindungen von
dem in das herzustellende Gebilde eindringenden reaktionsfähigen Stoffsystem herausgespült
werden. Man kann dem dadurch begegnen, daß man die die Reaktionsdauer beeinflussenden,
vorzugsweise abkürzenden Verbindungen mit schwerlöslichen Verbindungen oder schwerlöslichen
Harzen mischt, so daß die Lösungsgeschwindigkeit dieses Gemisches verringert ist.
Insbesondere empfiehlt es sich, hierfür schwerlösliche Verbindungen oder schwerlösliche
Harze zu wählen, die in das zum Imprägnieren oder Vergießen des herzustellenden
Gebildes verwendete reaktionsfähige Stoffsystem eingebaut werden können.
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Mitunter ist es aber auch möglich, als die Reaktionsdauer beeinflussende,
vorzugsweise abkürzende Verbindung bereits eine in dem eindringenden Stoffsystem
schwerlösliche Verbindung auszuwählen. Schwerlöslich bedeutet hierbei, daß der Lösungsvorgang
dieser
Verbindungen bzw. des mit ihnen vermischten Harzes in dem reaktionsfähigen Stoffsystem
wesentlich länger als das Eindringen des reaktionsfähigen Stoffsystems in das herzustellende
Gebilde dauert. Dieser Lösungsvorgang darf hingegen nur eine erheblich kürzere Zeitspanne
als die angestrebte Gelierzeit erfordern.
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Die Erfindung sei zunächst unter Hinweis auf die F i g.1 bis 3 an
einem Ausführungsbeispiel erläutert, das sich mit der Herstellung einer hochspannungsfesten
Isolierhülse für die Wicklung einer elektrischen Maschine befaßt. Hierzu wird ein
Glimmerband verwendet, das, wie es in der F i g. 1 schematisch dargestellt ist,
aus der flexiblen Unterlage 1 aus Papier, beispielsweise einem wenige Mikron starken
Japanpapier, besteht. In bekannter Weise können als Unterlage aber auch ein Gewebe
oder Kunststoffolien verwendet werden. Auf die Unterlage 1 wird eine ein-oder mehrlagige
Schicht 2 aus Glimmerblättchen aufgebracht, die dann durch die Decklage 3 abgeschlossen
wird, die vorteilhafterweise aus dem gleichen Material wie die Unterlage 1 besteht.
In an sich bekannter Weise sind die Glimmerblättchen untereinander sowie mit der
Unterlage und der Decklage durch ein Bindemittel verklebt, das auf das später bei
der Imprägnierung verwendete Imprägnierharz abgestimmt ist.
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Wie in der F i g. 2 schematisch dargestellt, wird der zu isolierende
Leiter 4 mit diesem Glimmerband umbandelt, so daß sich bei dem umbandelten Leiter
der in der F i g. 3 gezeigte Querschnitt ergibt. Der Leiter wird anschließend im
Vakuum getrocknet und ebenfalls im Vakuum mit einem Imprägnierharz imprägniert.
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In Durchführung des Erfindungsgedankens werden in dem dargestellten
Ausführungsbeispiel die auf den Leiter aufgebrachten Glimmerbandlagen mit einer
von innen nach außen abnehmenden Konzentration eines die Aushärtung des Imprägnierharzes
anregenden Härtungsbeschleunigers versehen. Im Falle der Verwendung eines heißhärtenden
Gemisches aus ungesättigten Polyesterharzen, reaktiven Monomeren und organischen
Peroxyden als Imprägnierharz kann z. B. 4,4',4"-Dimethylaminotriphenylcarbinol als
die Reaktionsdauer abkürzende Verbindung verwendet werden. Diese Verbindung macht
aus dem heißhärtenden Polyesterharz ein kalthärtendes Harz, d. h. die Polymerisationsreaktion
setzt an den Stellen, an denen sich diese Verbindung befindet, bereits in kaltem
Zustand ein, während die Reaktion an den Stellen, die diese Verbindung nicht enthalten,
erst bei einer Erwärmung auf eine Temperatur über 60° C einsetzt.
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Zum Einbringen der die Reaktionsdauer abkürzenden Verbindung in die
Isolierung kann man derart vorgehen, daß die auf den Leiter aufgewickelten Lagen
aus Glimmerband beim Aufwickeln derart mit der die Reaktionsdauer abkürzenden Verbindung
eingestrichen werden, daß die gewünschte Verteilung der Konzentration dieser Verbindung
erreicht wird. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß ein einheitliches Glimmerband
verwendet werden kann. Außerdem werden unerwünschte vorzeitige Reaktionen dieser
Verbindung mit dem im Glimmerband enthaltenen Bindemittel vermieden.
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Man kann aber auch so vorgehen, daß die auf den Leiter aufgebrachten
Lagen aus Glimmerbändern aufgewickelt werden, welche die Reaktionsdauer verschieden
stark abkürzende Verbindungen oder auch ein und dieselbe Verbindung dieser Art in
verschiedener Konzentration enthalten oder auch frei von diesen Verbindungen sind.
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Bei der Verwendung von Glimmerbändern mit die Reaktionsdauer abkürzenden
Verbindungen kann das Bindemittel zur Verklebung der Glimmerblättchen untereinander
sowie mit der Unterlage und der Decklage, das sich in an sich bekannter Weise völlig
in das zum Imprägnieren der auf den Leiter aufgebrachten Isolierung verwendete Imprägnierharz
einbauen läßt, derart ausgewählt werden, daß es zur Lösung in dem in die Isolierung
eindringenden Imprägnierharz eine längere Zeitspanne braucht, als sie für die Durchdringung
der Isolierung mit dem Imprägnierharz benötigt wird. Da dieses Bindemittel mit den
die Reaktionsdauer abkürzenden Verbindungen gemischt ist, wird ein Herausspülen
dieser Verbindungen aus der auf den Leiter aufgewickelten Isolierung verhindert.
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Bei der Imprägnierung der auf den Leiter aufgebrachten Isolierung,
die in der Regel im Vakuum vorgenommen wird, gelieren zunächst die Stellen an, welche
die höchste Konzentration an die Reaktionsdauer abkürzenden Verbindungen aufweisen.
Bei dem Aufwickeln der Isolierung auf den Leiter werden daher die inneren Lagen
der Isolierung mit einer stärkeren Konzentration an diesen Verbindungen versehen
als die äußeren Lagen.
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Die in der F i g. 3 im Schnitt dargestellte Isolierung ist aus sieben
Lagen Glimmerband aufgebaut, das entsprechend der F i g. 1 aus der Unterlage 1,
der Schicht 2 aus Glimmerblättchen und der Decklage 3 besteht. Die inneren fünf
Lagen dieser Isolierung sind beim Aufwickeln des Glimmerbandes auf den Leiter zusätzlich
mit einer die Reaktionsdauer abkürzenden Verbindung eingestrichen, während die beiden
äußeren Lagen frei von einer solchen Verbindung bleiben.
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Die eben beschriebene Verteilung an die Reaktionsdauer abkürzenden
Verbindungen in der in der F i g. 3 dargestellten Isolierung kann aber auch in der
Weise erreicht werden, daß man die ersten fünf Lagen aus einem Glimmerband aufwickelt,
dem bereits bei seiner Herstellung ein Gehalt an einer die Reaktionsdauer abkürzenden
Verbindung zugesetzt ist, während die beiden äußeren Lagen aus einem Glimmerband,
das keine solche Verbindung enthält, aufgewickelt werden.
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Die eben beschriebene Verteilung der Konzentration an die Reaktionsdauer
abkürzenden Verbindungen in der in der F i g. 3 dargestellten Isolierung kann auch
abgewandelt werden. Beispielsweise ist es auch möglich, die inneren drei Lagen mit
der höchsten Konzentration an der die Reaktionsdauer abkürzenden Verbindung zu versehen,
während die nächsten beiden Lagen mit einer schwächeren Konzentration an dieser
Verbindung versehen werden; die beiden äußersten Lagen werden dann ohne den Zusatz
einer solchen Verbindung aufgewickelt.
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Bei der Imprägnierung eines mit einem Glimmerband umbandelten Leiters
dringt das Imprägnierharz vor allem von den Stirnseiten her in die aufgewikkelte
Isolierhülse ein. Wie der in F i g. 3 dargestellte Querschnitt der Isolierhülse
erkennen läßt, strömt dabei das Imprägnierharz besonders stark in den Zwischenräumen
5 zwischen dem Leiter 4 und der auf diesen aufgewickelten Isolierung entlang, so
daß an diesen Stellen einer Verarmung der beschleunigenden
Verbindungen
erwartet werden muß. Es empfiehlt sich daher, an diesen Einströmwegen des Imprägnierharzes
die gewünschte Konzentration an beschleunigenden Verbindungen durch eine zusätzliche
Dosierung zu erzielen. Dies kann beispielsweise durch besonders starkes Einstreichen
des zu isolierenden Leiters vor dem Umbandeln erreicht werden. Auf die gleiche Weise
können auch andere Stellen der auf den Leiter aufgebrachten Isolierung mit einer
zusätzlichen Dosierung an beschleunigenden Verbindungen versehen werden.
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Bei der Imprägnierung der auf den Leiter aufgebrachten Isolierhülse
gelieren zunächst die Stellen an, welche die höchste Konzentration die Reaktionsdauer
abkürzender Verbindungen aufweisen. Dieser Gelierungsprozeß schreitet von diesen
Stellen, also insbesondere von den inneren Lagen der Isolierung aus fort. Infolge
dieses von innen nach außen fortschreitenden Gelierungsprozesses kann von außen,
also von den Bereichen mit noch niedrigerer Viskosität, noch Imprägnierharz nachdringen,
so daß die sonst bei der Gelierung des Impägnierharzes störend auftretende Schrumpfung
ausgeglichen wird.
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Dadurch, daß das in die Isolierung eingedrungene Imprägnierharz in
den inneren Lagen der Isolierung bereits angeliert ist, ist es möglich, den umbandelten
Leiter aus dem mit dem Imprägnierharz gefüllten Bad herauszunehmen, ohne daß Harz
ausläuft, während das Imprägnierharz in den äußeren Lagen noch fließfähig ist, so
daß die Isolierung in einer beheizten Presse auf die gewünschte Form gebracht und
fertig ausgehärtet werden kann.
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Dadurch, daß die äußeren Lagen gegenüber den inneren Lagen eine geringere
Konzentration an die Reaktionsdauer abkürzenden Verbindungen enthalten oder gegebenenfalls
sogar frei von diesen Verbindungen sind, werden diese Verbindungen bei der Imprägnierung
praktisch kaum aus der Isolierung in das Imprägnierharzbad herausgespült, so daß
die Gebrauchsdauer des in diesem Bad befindlichen Imprägnierharzes nicht beeinträchtigt
wird. Dies kann aber auch dadurch erreicht werden, daß auf die Isolierung abschließend
Lagen aus einem vom Glimmerband abweichenden Material aufgewickelt werden, die später
wieder entfernt werden. Auf diese Weise kann das Imprägnierharz für eine große Zahl
von Imprägnierzyklen verwendet werden.
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Das eben beschriebene Verfahren zur Herstellung der Wicklungsisolierung
eines elektrischen Leiters wird in der Regel zur Herstellung der Wicklungsisolierung
von Stäben angewendet. Es kann aber auch für die Herstellung der Isolierung von
Spulen verwendet werden, und zwar insbesondere von solchen, die beim Einlegen in
die Nuten einer elektrischen Maschine stark deformiert werden müssen. Durch unterschiedliche
Konzentration von Beschleunigern und gegebenenfalls auch Inhibitoren für die Polymerisations-
bzw. Polyadditionsreaktion des in der Isolierung der Spule befindlichen Imprägnierharzes
läßt es sich bei einem bestimmten Erwärmungszyklus erreichen, daß das von der Isolierung
der Spule aufgenommene Imprägnierharz nur im Nutteil voll aushärtet, während das
in der Isolierung der Wickelköpfe befindliche Imprägnierharz lediglich angeliert.
Die Spule kann dann zum Einlegen, gegebenenfalls unter schwachem Erwärmen, stark
deformiert werden.
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Die Erfindung läßt sich aber auch bei Ständern oder Läufern elektrischer
Maschinen anwenden, bei denen die Isolierung der Wicklung erst bei in die Nuten
eingelegter Wicklung erfolgt. Die Isolierung der in die Nuten eingelegten Wicklung
wird hierzu mit einem Zusatz einer die Reaktionsdauer des Imprägnierharzes abkürzenden
Verbindung versehen. Infolgedessen geliert das in die Wicklungsisolierung eindringende
Imprägnierharz. Der imprägnierte Ständer oder Läufer kann daher aus dem Irnprägnierharzbad
herausgenommen werden, ohne daß das in die Wicklungsisolierungeingedrungene Imprägnierharz
ausläuft. Aus dem Blechpaket, in dem eine Gelierung des Imprägnierharzes noch nicht
stattgefunden hat, läuft das Imprägnierharz hingegen nach dem Herausnehmen aus dem
Bad ab. Falls bei einer solchen Imprägnierung auch einzelne Teile des Blechpaketes
mit dem Imprägnierharz verklebt werden sollen, so werden die gewünschten Teile ebenfalls
mit die Reaktionsdauer abkürzenden Verbindungen versehen.
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Schließlich läßt sich die Erfindung auch bei der Herstellung von als
Isolierung elektrischer Geräte oder Apparate dienenden Gießharzkörpern größeren
Volumens verwenden. Dies bietet den Vorteil, daß diese Körper spannungsfrei aushärten
und daß die Schrumpfung des Gießharzes beim Aushärten kompensiert wird. Zur Herstellung
eines solchen Gießharzkörpers empfiehlt es sich, in der Weise vorzugehen, daß man
einen porösen Körper, wie beispielsweise Schaumkeramik, verwendet, der mindestens
teilweise als Träger für eine die Reaktionsdauer beschleunigende Verbindung dient.
Der poröse Körper kann z. B. völlig mit dieser Verbindung durchtränkt werden. Es
ist aber auch möglich, ihn nur zonenweise mit einer solchen Verbindung zu durchsetzen.
Weiterhin ist es auch möglich, den porösen Körper aus einem Aminkondensat, herzustellen,
das selbst als die Reaktionsdauer abkürzende Verbindung wirkt. Der poröse Körper
kann aber auch ein lose gewickelter Papierzylinder sein, dessen einzelne Lagen zonenweise
mit einer die Reaktionsdauer abkürzenden Verbindung getränkt sind.
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Statt eines porösen Körpers als Träger für die Reaktionsdauer abkürzenden
Verbindungen können aber auch inaktive Füllstoffe verwendet werden, die gemeinsam
mit den die Reaktionsdauer abkürzenden Verbindungen in eine die äußere Gestalt des
Gießharzkörpers bestimmende Form geschüttet werden. Beispielsweise kann zur Herstellung
eines voluminösen Gießharzkörpers grobes Quarzmehl mit einer Korngröße von 0,2 bis
0,5 mm, zonenweise mit der gewünschten Konzentration an die Reaktionsdauer abkürzenden
Verbindungen vermischt, in die die Gestalt des Gießharzkörpers bestimmende Form
geschüttet werden.
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Beim Vergießen verläuft die Polymerisations- bzw. Polyadditionsreaktion
von innen nach außen, d. h., die Gelierung beginnt an den die höchste Konzentration
an die Reaktionsdauer beschleunigenden Verbindungen aufweisenden Stellen. Auf diese
Weise wird vermieden, daß beim Aushärten zu große Spannungen im Gießharzkörper auftreten,
wie es beispielsweise bei einem aus einem homogenen Stoffsystem gebildeten Gießharzkörper
der Fall ist. Durch diese zeitliche Lenkung des Aushärteprozesses wird aber außerdem
erreicht, daß während der zeitlich von innen nach außen mit abnehmender Geschwindigkeit
verlaufenden Reaktion noch Gießharz von außen in den herzustellenden Gießharzkörper
eindringen kann,
so daß die bei der Gelierung des Gießharzes auftretende
Schrumpfung ausgeglichen wird.
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Man kann die Herstellung eines Gießharzkörpers aber auch so durchführen,
daß die äußeren Teile des porösen Körpers eine besonders starke Konzentration an
die Reaktionsdauer abkürzenden Verbindungen erhalten, so daß an diesen Stellen beim
Eintritt des Gießharzes ein sofortiges Gelieren einsetzt. Wird ein solcher poröser
Körper derart ausgebildet, daß er die äußeren Wandungen des Gießharzkörpers darstellt,
so braucht in diesen Fällen keine Form verwendet zu werden.