DE2013446B2

DE2013446B2 - Stabilator fuer eine umlaufende elektrische maschine

Info

Publication number: DE2013446B2
Application number: DE19702013446
Authority: DE
Inventors: Toshio; Kawai Sadaharu; Hitachi; Sonoda Sanenobu Ibaragi; Nakamura (Japan)
Original assignee: Hitachi Ltd., Tokio; Nitto Electric Ind. Co. Ltd., Ibaragi; (Japan)
Priority date: 1970-03-20
Filing date: 1970-03-20
Publication date: 1972-06-15
Also published as: FR2082829A5; DE2013446A1

Description

ίί υ ι j TTV-»

3 4

durch die folgende allgemeine Formel wiedergege- teten Harzes können durch Hinzufügen eines FU

benen Verbindung besteht: stoffes wie von pulverisierter Kieselsäure, pulve

siertem Aluminiumhydroxyd, pulverisiertem Qua

⁰ pulverisiertem Glas oder pulverisiertem Magnesiu:

Il 5 hydroxyd zu der Harzmasse verbessert werden. _

C — O — R' Falls die Harzverbindung einem erheblichen LiQl

r/ bogen-Spratzeffekt ausgesetzt wird, läßt sich die:

\_ _ _n/ Effekt durch Hinzufügen einer geeigneten Mer

C — O — R verschiedener Füllstoffe zu der Mass?, steuern. Auß

Il ίο dem ist festgestellt worden, daß die Wärmeleitfäh

O keit des ausgehärteten Harzes durch Zufügen ι

Füllstoffes zu der Harzmasse erhöht werden kai

darin bedeutet R eine zweiwertige Gruppe von wobei die Schrumpfung beim Härten und der Wärr

Cycloparaffinen und Cycloolefinen und R' eine ausdehnungskoeffizient vermindert sowie die Lic

gesättigte Kohlenwasserstoffgruppe mit wenigstens 15 bogenfestigkeit erhöht werden,

einer Epoxybindung und einem Härter. Im folgenden sind Ausführungsbeispiele des er

Zu den durch die genannte allgemeine Formel dungsgemäßen Stabisolators an Hand der Zei

wiedergegebenen Verbindungen gehören Diglycidyl- nungen beschrieben; in den Zeichnungen zeigen

hexahydrophthalat, Diglycidylcyclopentendicarbonat F i g. 1 und 2 Querschnitte durch eifmdur

und Diglycidyltetrahydrophthalat. 20 gemäße Stabisolatorformen,

Als für die vorliegende Erfindung besonders geeig- F i g. 3 ein Diagramm der Beziehung zwiscl

nete Härter werden angegeben: der Lichtbogenfestigkeit und dem Kohlenstoff geh

(a) alicyclische Säuren oder Amine mit mindestens F ^j * { eine schematische Darstellung des Pias, zwei funktionellen Gruppen wie etwa Hexahydro- testverfahrens und . phthalsäure, Tetrahydrophthalsäure, Hexahydro- ^a* *»* 5 ein Diagramm zur Darstellung der

iyromellitsäure, Cyclohexanondiamin und Cvclo- f *™8 ™*f™ .^der ^^^f^S^Jfrz

hexanontriamin sowie Lichtbogen festigtot von warmehartendem Harz

(b) aliphatische Dicarbonsäure und Diamine wie . In Fig. 1 und 2 stellt die Bezugsziffer 1 den Sc etwa Bernsteinsäure, Adipinsäure und Hexa- ^eines Bürstenhalters, 2 ein Tra«element zur Bei methylendiamin. ³° |^un? am Rahmen einer elektrischen Maschine

3 einen Überzug aus einem speziellen, Iicntbo

Diese Härter werden Bestandteil der wärmehär- festen, wärmehärtenden Polymermaterial dar, wi

tenden Harzmasse, und die Aushärtung kann durch erfindungsgemäß verwendet wird.

Hinzufügen eines geeigneten Härtungsbeschleunigers Der Schaft 1 des Bürstenhalters ist mit dem 1

stark vorangetrieben werden. 35 element 2 zu einer Einheit verbunden, wobei

2. Ungesättigtes Polyesterharz, das durch eine Tragelement 2 in den Schaft 1 mit einem bestinii

Additionsreaktion von mindestens einem monomeren Abstand von diesem mittels eines Isolationsmateri

Diallylphthalat, Diallylhexahydrophthalat, Diallyl- mit hoher mechanischer Festigkeit, beispiels\

hexahydroisophthalat, Diallylhexahydroterephthalat eines Epoxyharzes auf Bisphenolbasis, eingesetzt

oder Triallylisocyanat mit einem ungesättigten Poly- 40 dadurch von dem Schaft 1 elektrisch isoliert ist.

ester hergestellt wird, wobei das ungesättigte Polyester In F i g. 2 hat der aus dem wärmehärtenden

aus den folgenden drei Komponenten synthetisiert mit geringem Kohlenstoffgehalt bestehende t

wird: zug 3 eine gekrümmte Oberfläche, so daß der t

(a) einem gesättigten zweiwertigen Alkohol wie etwa zug einen verlängerten Weg längs der Oberf

Äthylenglykol, Propylenglykol und Neopentyl- ^{45 βΙ}™."· ... „ .

glykol Die Erfindung wird im einzelnen an Hand

(b) einer aliphatischen Dicarbonsäure wie etwa Bern- Beispielen erläutert In diesen Beispielen bee steinsäure, Adipinsäure und Hexahydroterephthal- ^{>>Tell<<
so viel wie} »Gewichtsteil«.

säure oder cycloparaffinische Dicarbonsäuren Beispiel 1

oder deren Anhydride und ⁵° _, , ... _ , . _. ,

(C) einer ungesättigten Dicarbonsäure wie etwa . ^F™ ^den Überzug 3 des in F 1 g. 1 gezeigten

Maleinsäure und Itaconsäure. isolators wurde em Harz aus einer aus den folg

drei Komponenten bestehenden Harzmasse 1

Neben den oben angegebenen wärmehärtenden stellt:

Harzen können bei der vorliegenden Erfindung 55 Diglycidylhexahydrophthalat .... 100 Teil

viele andere hchtbogenfeste isolierende Polymer- Hexahydrophthalsäure 108 Tel

materialien^verwendet werden Beschleuniger (Benzyldimethyl-

Isolierende Polymermaterialien mit geringerer oder amini 1 Tei ungenügender Wärmebeständigkeit gegen Tempe-

raturanstiege, wie sie mit dem Betrieb einer umlau- 60 Das Harz wurde ausgehärtet, indem es 2 Sl

fenden elektrischen Maschine verbunden sind, bei- lang auf 12O⁰C und anschließend 2 Stunder

spielsweise Polyäthylen oder Polyoxymethylen, sind auf 200⁰C erhitzt wurde,

nicht vorteilhaft, auch wenn sie ein C/H-Verhältnis Außerdem wurde ein weiterer Isolator unte

von 0,75 oder weniger und eine Selbstreinigungs- wendung eines Epoxyharzes sowie Phthalsäur wirkung aufweisen. > 65 drid als Härter unter den gleichen Bedingung

Erfindungsgemäß werden also wärmehärtende Harze oben hergestellt.

verwendet. Diese Stabisolatoren wurden einem Licht

Die mechanischen Eigenschaften eines ausgehär- festigkeitstest (nämlich gemäß dem Ve:

Nr. Κ-6911 der japanischen Industrienormen) unterworfen. Dabei zeigten sich an dem erfindungsgemäßen Stabisolator selbst nach 240 bis 300 Sekunden keine Schleifspuren, während sich an dem Stabisolator aus dem vorstehend genannten Epoxyharz nach 120 Sekunden Schleif spuren bildeten.

Beispiel 2

Für den Überzug 3 des in F i g. 2 gezeigten Stabisolators wurde ein Harz aus einer härtenden Masse hergestellt, die durch eine Additionsreaktion von 90 Teilen Triallylisocyanat sowie einem Peroxyd mit 100 Teilen eines ungesättigten Polyesters erzeugt wurde, wobei der ungesättigte Polyester aus den folgenden drei Komponenten hergestellt wurde:

Propylenglykol 171 Teile

Maleinsäureanhydrid 98 Teile

Hexahydrophthalsäureanhydrid .. 158 Teile

Das Harz wurde 10 Stunden lang bei 80°C und anschließend 5 Stunden lang bei 13O⁰C gehärtet.

Außerdem wurde ein Stabisolator unter Verwendung einer Harzmasse hergestellt, die durch Addieren von 43 Teilen Styrol zu 100 Teilen eines ungesättigten Polyesters erzeugt wurde, wobei der ungesättigte Polyester aus 171 Teilen Propylenglykol, 98 Teilen Maleinsäureanhydrid und 148 Teilen Phthalsäureanhydrid synthetisiert wurde.

Diese Stabisolatoren wurden einem Lichtbogenfestigkeitstest nach dem obengenannten Verfahren der japanischen Industrienormen unterworfen. An dem erfindungsgemäßen Stabisolator zeigten sich auch nach 240 bis 280 Sekunden keine Spuren, während sich an dem Stabisolator, der unter Verwendung von in monomerem Styrol gelösten ungesättigten Polyester hergestellt war, nach 148 Sekunden Spuren bildeten.

Die prozentuale Erholung der Lichtbogenfestigkeit betrug bei dem erfindungsgemäßen Stabisolator 85 bis 9O°/o, während sie bei dem herkömmlichen Stabisolator gleich 0 war.

Die vorstehenden Fakten beweisen, daß der erfindungsgemäße Stabisolator einen bemerkenswert guten Selbstreinigungseffekt besitzt.

ίο Die Beziehung zwischen dem Kohlenstoffgehalt und der Lichtbogenfestigkeit des wärmehärtenden Harzes ist in F i g. 3 dargestellt, wobei die Lichtbogenfestigkeit von gegossenen Harzen mit verschiedenen Kohlenstoffgehalten, die durch Verändern der ungesättigten Polyester-Harzmassen erzeugt wurden, ermittelt wurde.

Der Kohlenstoffgehalt des im allgemeinen verwendeten ungesättigten Polyesterharzes beträgt 68 bis 70 Gewichtsprozent; durch Reduzieren des Kohlenstoffgehalts um ungefähr 10% läßt sich jedoch die l,7fache Lichtbogenfestigkeit (berechnet nach der Lichtbogenenergie) erzielen.

Wie oben kurz erwähnt, kann die Lichtbogenfestigkeit des vorliegenden wärmehärtenden Harzes mit geringem Kohlenstoffgehalt dadurch weiter verbessert werden, daß der Harzmasse eine geeignete Menge eines Füllstoffs zugefügt wird. In der Tabelle sind die Einflüsse des Füllstoffs auf die Lichtbogenfestigkeit dargestellt. Bei dem Lichtbogenfestigkeitstest wurden gemäß F i g. 4 die verschiedenen wärmehärtenden Harze 10 auf die Oberfläche 14 eines Metallstabs aufgegossen, und auf die Oberfläche wurde eine Piasmafiamme 12 aus einem Plasmagenerator 11 gerichtet, während der Stab in Richtung des Pfeiles 13 bewegt wurde.

Tabelle

Probe

Wärmeleitfähigkeit (cal/cm · sec ·

Meßgröße
Ohne Anwendung einer

Plasmafiamme
Durchschlag- J

spannune ! Isolations-(kV) längs der ! widerstand
Oberfläche** (Ω)*·

Nach Anwendung der

Plasmafiamme*
Durchschlag-

spannung
(kV)längsder
Oberfläche i

Isolationswiderstand

Epoxyharz auf Bisphenoibasis

(C: 75%; Füllstoff: 75%)

Epoxyharz auf Bisphenolbasis

mit 0,5 mm Teflon

Micalex

Lichtbogenfestes Epoxyharz (C: 59%)

Ohne Füllstoff

Al₂(OH)₃ 33%

Al₂(OH)₃ 50%

Al₂(OH)₅ 60%

Pulverisierter Quarz 50 %

Pulverisierter Quarz 66 %

Pulverisierter Quarz 75 %

34 5 bis

5,1 7,9 12,2 14,9 10,4 17,1 21,9

In der Tabelle bedeutet % soviel wie Gewichtsprozent.

*) Bedingungen der Plasma-Anwendung:

Lichtbogenleistung Gas-Strömungsgeschwindigkeit (85 °/o Ar, 15 % H,) Entfernung zwischen Düse und Probe Bewegungsgeschwindigkeit der Probe

♦♦) Meßbedingungen:

Durchschlagspannung Isolationsfestigkeit

Mcßclektrode

22,6

30,2
24,3

27,1
32,9
31,5
30,2
31,2
33,7
33,8

3,1 · 10¹³

2,6·
2,8·

3,0·
3,1·

3,1·
2,4·
2,1·
3,4·
2,4·

10¹⁴

₁₀12

10¹³
10¹⁴
10¹⁴
10¹⁴
10¹⁴
10¹⁴
10¹⁴

<5,0

21,0
20,2

22,3
29,3
28,6
30,9
31,2
31,6
31,3

2,1 ■ 10^a

4,5
1,8

1,2
1,3
2,2
1,1
8,8
2,0
1,7

10¹⁰
10¹²
10¹³
10¹⁴
10¹³
10¹⁴
10¹⁴

80 Volt, 125 Volt

30 l/Min.

30 mm

10 mm/Sek. in Axialrichtung

60 Hz, 1000 Volt/Sek.

500 Volt Gleichspannung, 1 Minute lang

Entsprechend F i g. 4.

2572

Die Lichtbogenfestigkeit wird durch Reduzieren des Kohlenstoffgehaltes des Harzes und durch Erhöhen der Wärmeleitfähigkeit vergrößert. So wurde eine isolierende Welle für einen elektrischen Straßenbahnmotor unter Verwendung eines Epoxyharzes mit geringerem Kohlenstoffgehalt, nämlich 59 Gewichtsprozent Kohlenstoff, nach Hinzufügen eines Füllstoffs hergestellt. Die Isolationsfestigkeit der Oberfläche dieser Welle vor Anwendung der Plasmaflamme wurde mit der Festigkeit nach Anwendung der Plasmaflamme verglichen. Das Ergebnis ist in der Tabelle gezeigt.

Die Oberfläche des Bisphenolharzes karbonisierte, und die Isolationsfestigkeit verschlechterte sich stark, während die Oberfläche des lichtbogenfesten Epoxyharzes mit geringerem Kohlenstoffgehalt bei Verwendung einer großen Menge von Füllstoff nur leicht verdampfte und keine Karbonisierung an der Oberfläche zu beobachten war. Außerdem zeigte sich ein wesentlicher Unterschied in der Isolationsfestigkeit des Epoxyharzes vor und nach Anwendung der Plasmaflamme. Im Falle von Micalex, das bei einer solchen Welle gewöhnlich verwendet wird, schmilzt die Oberfläche einmal; die Isolationsfestigkeit erholt sich jedoch nach der Abkühlung unter leichter Abnahme der Isolationseigenschaften.

Wie bereits an Hand von F i g. 1 und 2 erläutert, bildet der Stabisolator eine zusammengesetzte Einheit aus einem metallischen Schaft eines Bürstenhalters, einem Tragelement zur Befestigung am Rahmen einer elektrischen Maschine und einem Harz; durch Hinzufügen eines Füllstoffs zu dem Harz zur Beseitigung des Reißens infolge von Erwärmung und Abkühlung lassen sich sowohl die Wärmeleitfähigkeit als auch die Lichtbogenfestigkeit des Harzes verbessern. Das Ergebnis des Tests ist in F i g. 5 gezeigt, wobei die Lichtbogenfestigkeit von ungesättigtem Polyesterharz mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 70 Gewichtsprozent gemessen wurde, nachdem 30 bis 75 Gewichtsprozent des Füllstoffs zu dem Harz hinzugefügt worden waren, um die Wärmeleitfähigkeit des Harzes von 5,4 · 10~⁴ cal/cm · see · ⁰C (ohne Füllstoff) auf 18,5 · ΙΟ-⁴ cal/cm · see · ⁰C (mit 75% pulverisiertem Quarz) zu ändern. Wie sich zeigt, wächst die Lichtbogenfestigkeit proportional mit der Wärmeleitfähigkeit.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

209 525/210

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Claims

Isolators leicht, und ein dielektrischer Durchschlag Patentansprüche: tritt, wie oben erwähnt, auf, Obwohl also die her kömmlichen organischen Isolationsmaterialien in ihren

1. Stabisolator für eine umlaufende elektrische mechanischen Eigenschaften oder in ihrer elektrischen Maschine mit einem Bürstenhalterschaft und einem δ Isolierfähigkeit hervorragend sind, weisen sie ganz mit einem bestimmten Abstand in den Schaft unzureichende Lichtbogenfestigkeit und unzureicheneingefügten, in den Rahmen der Maschine ein- den Widerstand gegen Spurenbildung auf.
schraubbaren Tragelement, gekennzeichnet In Anbetracht dieses Standes der Technik besteht durch ein Isolationsmaterial (4), das den die Aufgabe der Erfindung darin, einen Stabisolator Schaft (1) mit dem Tragelement (2) zu einer Ein- xo der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, der hohe heit verbindet sowie Schaft und Tragelement Lichtbogenfestigkeit aufweist und gegen die erwähnte gegeneinander elektrisch isoliert und von dem Spurenbildung widerstandsfähig ist,

mindestens der einem Lichtbogen ausgesetzte Die Erfinder haben zur Lösung dieser Aufgabe

Teil (3) aus einem wärmehärtenden Polymerharz Untersuchungen an einer großen Anzahl von Polymer-

mit einem Verhältnis der Kohlenstoff- zu den 15 Isolationsmaterialien angestellt und gefunden, daß

Wasserstoffatomen (C/H) von 0,75 oder weniger eine Reihe von Harzen mit guter Lichtbogenfestigkeit

besteht. sämtlich weniger Kohlenstoff- als Wasserstoffatome

2. Stabisolator nach Anspruch 1, dadurch ge- hat. Erfindungsgemäß hat man daher den eingangs kennzeichnet, daß der Schaft (1) einen becher- bezeichneten Stabisolator mit einem Isolationsmaterial förmigen Verbindungsabschnitt aufweist, in den 20 ausgerüstet, das den Schaft mit dem Tragelement zu das Tragelement (2) eingesetzt ist. einer Einheit verbindet sowie Schaft und Tragelement

3. Stabisolator nach Anspruch 2, dadurch ge- gegeneinander elektrisch isoliert und von dem minkennzeichnet, daß das Polymerharz des Teils (3) destens der einem Lichtbogen ausgesetzte Teil aus 59 bis 70 Gewichtsprozent Kohlenstoff enthält. einem wärmehärtenden Polymerharz mit einem Veras hältnis der Kohlenstoff- zu den Wasserstoffatomen

(C/H) von 0,75 oder weniger besteht.

Als Ergebnis eines Versuchs, bei dem der vor-

liegende aus einem Polymer-Isolationsmaterial bestehende Stabisolator einem durch einen starken 30 Strom von 1200 Ampere bei 750 Volt erzeugten starken Lichtbogen ausgesetzt wurde, ist festgestellt

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stabisolator worden, daß nicht nur sehr viel weniger Kohlenstoff für eine umlaufende elektrische Maschine mit einem an der Oberfläche abgesondert wird, sondern auch Bürstenhalterschaft und einem mit einem bestimmten die Oberfläche dieses Isolationsmaterials durch den Abstand in den Schaft eingefügten, in den Rahmen 35 Lichtbogen leicht bespratzt wird, und daß an der der Maschine einschraubbaren Tragelement. Oberfläche während des Betriebs angelagerte Staub-

Für einen derartigen Stabisolator sind nicht nur partikeln gleichzeitig abgespratzt werden können, gute elektrische und mechanische Eigenschaften erfor- was dazu führt, daß eine frische Isolations-Oberfläche derlich, sondern er muß auch eine ausreichende freigelegt wird. Somit lassen sich die dielektrischen Lichtbogenfestigkeit aufweisen, wenn eine Bürste 40 Eigenschaften und die Lichtbogenfestigkeit beinahe einen Stromkollektor gleitend berührt oder ein starker halb permanent erhalten, wie gewünscht. Dieses Lichtbogen durch einen Überschlag erzeugt wird. Phänomen scheint darauf zu beruhen, daß dann,

Bisher sind gewöhnlich Isolatoren aus Porzellan wenn das Isolationsmaterial dem Lichtbogen aus- oder sonstigen anorganischen Stoffen verwendet gesetzt wird, flüchtiger Kohlenstoff oder Oxyde des worden (vgl. die USA.-Patentschrift 2 451 969). Por- 45 Kohlenstoffs zerspratzt werden,
zellanisolatoren werden leicht beschädigt, während Eine derartige Selbstreinigungswirkung beobachtet

andere anorganische Materialien gelegentlich zu einer man zwar auch bei Verwendung von fluoriertem beträchtlich rauhen Oberfläche neigen, da die Ober- Harz, wie es gemäß der USA.-Patentschrift 2897386 fläche, wenn sie einem starken Lichtbogen ausgesetzt für Isolatoren verwendet wird; dieses fluorierte Harz wird, schmilzt, die Glaskomponente an der Oberfläche 50 hat jedoch Nachteile, die unter anderem darin beschaumig und wieder fest wird und infolgedessen die stehen, daß das Harz geringe mechanische Festigkeit Oberfläche in einen hygroskopischen oder leicht aufweist und sehr teuer ist, daß es sich schwierig Schmutz aufnehmenden Zustand gerät; der Wider- mit Metall oder einem weiteren Isolationsmaterial stand gegen Spurenbildung an der Oberfläche ver- verbinden läßt und daß leicht ein Reißen oder Schälen mindert sich, und es treten leicht Überschläge an 55 des Harzes auftritt, wenn es als Beschichtungsmaterial der Oberfläche auf. verwendet wird.

Aus der USA.-Patentschrift 3 026 433 sind Iso- Demgegenüber hat das bei der vorliegenden Erfin-

latoren auf der Grundlage organischer Isolations- dung verwendete Polymermaterial sehr viel weniger materialien an Stelle der obenerwähnten Materialien Nachteile.

bekannt; die Oberfläche des organischen Isolations- 60 Vorzugsweise weist der Bürstenhalterschaft einen materials karbonisiert jedoch leicht, wenn der Isolator becherförmigen Verbindungsabschnitt auf, in den einem starken Lichtbogen ausgesetzt wird, und es das Tragelement eingesetzt ist, und das Polymerharz findet ein dielektrischer Durchschlag längs der Ober- des dem Lichtbogen ausgesetzten Teils enthält 59 fläche des Isolators statt. Damit geht die Funktion bis 70 Gewichtsprozent Kohlenstoff,
als Isolator schließlich verloren. Selbst wenn als Iso- 65 Zu den erfindungsgemäß verwendeten polymeren lationsmaterial beispielsweise herkömmliches Poly- Isolationsmaterialien mit guter Lichtbogenfestigkeil wsterharz, Epoxyharz, Diallylphthalatharz od. dgl. gehören folgende Harze,
.erwendet wird, karbonisiert die Oberfläche des 1. Eine wärmehärtende Harzmasse, die aus einei