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Elektrischer Leiter oder elektrische Spule mit einer Isolierung
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aus Glimmer- und Harzschichten Die Erfindung betrifft einen elektrischen
Leiter oder eine elektrische Spule gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Die Herstellung von Spulen für elektrische Maschinen erfolgt häufig
in der Weise, daß ein Leiterbündel mehrschichtig mit Glimmerband oder Glimmerbogen
umwickelt wird. Das Glimmerband oder der Glimmerbogen besteht aus einer Schicht
von einander überlappenden Glimmerschuppen, die auf einem band- bzw. bogenförmigen
Trägermaterial, z.B. Glasgewebe, Papier oder dergleichen, befestigt sind. Das umwickelte
Leiterbündel wird dann einer weiteren Behandlung unterzogen, die gewöhnlich aus
einer Imprägnierung mit einem Harzmaterial sowie einem nachfolgenden Formen der
Isolierung und einem Härten des Harzmateriales besteht. Vor dem Imprägnieren werden
üblicherweise Luft, Feuchtigkeit und andere flüchtige Bestandteile durch eine Vakuumbehandlung
soweit wie
möglich entfernt. Bei der Imprägnierung dringt das Harzmaterial
zwischen die Glimmerschichten und füllt vorhandene Hohlräume aus, so daß man eine
Isolierung mit guten elektrischen und mechanischen Eigenschaften erhält. Selbstverständlich
kann ein einzelner Leiter in entsprechender Weise isoliert werden. Eine alternative
Möglichkeit, das Harzmaterial zuzuführen, besteht darin,das Glimmerband vor der
Umwicklung des Leiters mit dem Harzmaterial zu imprägnieren.
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Eine Isolierung der beschriebenen Art enthält abwechselnd Schichten
aus Glimmer und Schichten aus Harzmaterial. Der Glimmer hat eine relative Dielektrizitätskonstante
von 5 - 7 bei 20 0C und 50 Hz, während die relative Dielektrizitätskonstante des
Harzmaterials normalerweise ungefähr 3 beträgt. Dies bedeutet, daß die Feldstärke
im Harzmaterial bedeutend höher ist als im Glimmer. Da die elektrische Festigkeit
des Harzmaterials, insbesondere dessen Dauerfestigkeit, bedeutend niedriger als
die des Glimmers ist, wird dasJenige Material der Isolierung, welches die niedrigere
elektrische Festigkeit hat, mit der höheren elektrischen Feldstärke beansprucht.
Das bedeutet, daß die elektrische Festigkeit des Glimmers nicht in vollem Maße ausgenutzt
werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Leiter
der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei dem der in seiner Isolierung enthaltene
Glimmer hinsichtlich seiner elektrischen
Festigkeit besser ausgenutzt
ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein elektrischer Leiter nach dem Oberbegriff
des Anspruches 1 vorgeschlagen, der erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil
des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
genannt.
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Durch die Erfindung wird erreicht, daß die elektrische Festigkeit
des Glimmermaterials voll oder nahezu voll ausgenutzt werden kann. Dies hat zur
Folge, daß die Dicke der Leiterisolierung bedeutend verkleinert werden kann. Dieses
günstige Ergebnis wird durch die'Verwendung eines Harzmaterials mit hoher Dielektrizitätskonstanten
erreicht. Vorzugsweise ist die Dielektrizitätskonstante des Harzmaterials größer
als die des Glimmers.
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Die Angaben über die relativen Dielektrizitätskonstanten beziehen
sich auf 200C und 50 Hz. Die Dielektrizitätskonstante des Harzmaterials bei 200C
und 50 Hz ist zweckmäßigerweise grösser als 7 und liegt vorzugsweise im Bereich
von 10 bis 20.
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Die Erfindung eignet sich insbesondere für Spulen elektrischer Maschinen.
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Eine hohe Dielektrizitätskonstante des Harzmaterials kann man auf
verschiedene Art erreichen. Eine Möglichkeit besteht darin, dem verwendeten Harz
einen darin löslichen Stoff mit einer höheren Dielektrizitätskonstante als die des
Harzes selbst beizugeben. Als Beispiel für solche Stoffe können genannt werden:
2,3,4, 5-Tetrahydrotiofen-l ,l-Dioxyd
Dimethyl-2,3, 4, 5-Tetrahydrotiofen-1 , 1 -Dioxyd, Butandiol, Pentandiol, Triäthylphosphat,
Formamid, p-Nitroanilin, Nitrobenzol, Glutaronitril und Adiponitril. Ein zweckmäßiger
Gehalt dieses Stoffes liegt im Bereich von 2-60 Prozent des Gesamtgewichtes von
Harz und dem beigegebenen Stoff. Eine andere Möglichkeit, ein Harzmaterial mit hoher
Dielektrizitätskonstante zu erhalten, besteht darin, das Harz mit einem darin unlöslichen
Stoff mit höherer Dielektrizitätskonstante als die des Harzes selbst zu versetzen.
Der unlösliche Stoff kann die Form eines feinverteilten Füllmittels haben, wie beispielsweise
Titandioxyd, Bariumtitanat oder Kalziumtitanat, kann jedoch auch flüssig sein. Ein
zweckmäßiger Gehalt des Stoffes liegt im Bereich von 2-75 Prozent des Gesamtgewichtes
von Harz und dem genannten Stoff. Die Korngröße der verwendeten festen Stoffe liegt
vorzugsweise unter 100/um. Es ist auch möglich, gleichzeitig einen im Harz unlöslichen
Stoff mit hoher Dielektrizitätskonstante und einen im Harz löslichen Stoff mit hoher
Dielektrizitätskonstante zu verwenden. Eine weitere Möglichkeit,
ein
Harz mit hoher Dielektrizitätskonstante zu erhalten, besteht in der Modifikation
der chemischen Zusammensetzung des Harzes, wie beispielsweise dadurch, daß man dem
Harz Gruppen zuführt, die, einen ausgeprägt die Dielektrizitätskonstante erhöhenden
Effekt haben, z.B. bestimmte Arten von fluorierten Gruppen.
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Der Leiter kann aus einem einzigen massiven Leiter oder aus einem
Bündel von mehreren Leitern bestehen. Dabei kann jeder Leiter in dem Bündel eine
Windung eines einzigen isolierten Gesamtleiters bilden, der durch Biegen in seine
endgültige Form gebracht wurde. Das Bündel kann auch aus mehreren separaten isolierten
Leitern bestehen, welche an ihren Enden meistens elektrisch miteinander verbunden,
und zwar meistens parallelgeschaltet, sind.
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Der Glimmer in der Isolierung kann auf verschiedene bekannte Arten
angebracht werden. Er kann in Form einer Bandage aus einem band- oder bogenförmigen
glimmerhaltigen Isoliermaterial angebracht werden. Dieses Isoliermaterial kann z.B.
aus selbsttragenden Bändern oder Bögen aus/ M uoerlappenden, durch Spaltung von
gewöhnlichem Glimmer hergestellten Glimmerschuppen bestehen, wobei diese Bänder
oder Bögen normalerweise mit beispielsweise einem Bindemittel, wie ein Epoxyharz
oder ein dünner Thermoplastfilm, an einem Trägermaterial aus Glasgewebe, Papier
oder dergleichen besfestigt sind. Das Isoliermaterial kann auch
aus
Glimmerbändern oder Glimmerbögen in Form großer Glinnnerschuppen konventioneller
Art bestehen, die mit einem Bindemittel beispielsweise der genannten Art an einem
Trägermaterial beispielsweise der genannten Art befestigt sind.
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Als Beispiel für geeignete Harze im Harzmaterial können lösungsmittelfreie
Harze, wie Epoxyharze und Uretanharze genannt werden. Das Harzmaterial wird normalerweise
durch eine Imprägnierung des mit Glimmerband oder Glimmerbögen umwickelten Leiters
zugeführt. Es ist Jedoch auch möglich, das Harzmaterial dadurch zuzuführen, daß
man es vor der Umwicklung des Leiters auf dem Glimmerisoliermaterial anbringt, wie
beispielsweise in Form vorimprägnierter Bänder oder Bögen.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und
der Figuren näher beschrieben werden. Es zeigen Fig. 1 eine Spule für eine elektrische
Maschine in Seitenansicht, Fig. 2 die Spule gemäß Fig. 1 im Querschnitt, Fig. 3
einen vergrößerten Ausschnitt aus der Isolierung der Spule im Querschnitt.
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Beispiel 1 Die Spule gemäß Fig. 1 besteht aus zwei geraden Abschnitten
10 und 11, die zum Einlegen in die Nuten des Stators einer Hochspannungsmãschine
bestimmt sind, sowie den Wickelköpfen 12 und 13, die-außerhalb der Nuten der Maschine
liegen. Die Spule ist mit einer glimmerhaltigen Isolierung 14 gemäß der vorliegenden
Erfindung umgeben. Die Anschlußleiter der Spule sind mit 15 und 16 bezeichnet.
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Wie Fig. 2 zeigt, enthält die Spule gemäß Fig. 1 ein Bündel 17 aus
mehreren übereinander angeordneten einzelnen Leitern 18, von denen jeder mit einer
Isolierung 19 versehen ist. Die Isolierung 19 kann beispielsweise aus einer Umspinnung
aus Glasgarn bestehen, das mit einem Bindemittel imprägniert wird, wie beispielsweise
ein Epoxyharz oder ein ADylharz, welches anschließend gehärtet wird, oder sie kann
aus einer Umspinnung mit einem dünnen Glimmerband oder nur aus einer Lackschicht
solcher Art bestehen, die normalerweise beim Lackieren von Vicklungsdraht verwendet
wird, wie Terephtalsäurealkyde, Polyesterimide, Polyimide, Silikone usw. Um das
Leiterbündel ist die oben genannte glimsterhaltige Isolierung 14 angebracht. Diese
enthält eine Umwicklung aus Glimmerband mit beispielsweise halber Überlappung. Das
Glimmerband ist beispielsweise 25 mm breit und besteht aus einer 0,09 mm dicken,
selbsttragenden Schicht von einan; der überlappenden, kleinen Glimmerschuppen, die
an einem 0,04 mm dicken Glasgewebeband mit einem 0,006 mm dicken Polyäthylenglykolterephtalatfilm
fixiert sind. Bei dem Fixieren schmilzt
der Film und sammelt sich
an den Kontaktflächen zwischen dem Glimmerband und den Glasfaserfäden. Ein solches
Isolierband ist in der DT-PS 1 199 348 beschrieben. Nachdem das Bündel mit einer
Bandage von beispielsweise dreißig übereinanderliegenden Glimmerbandschichten umwickelt
ist, wird die Wicklung zunächst bei einem Druck von 0,1 mm Hg und einer Temperatur
von 400C evakuiert und dann ein Harzmaterial bei dem genannten Druck zur Imprägnierung
der Bandage hinzugegeben. Nachdem alles Harzmaterial hinzugegeben ist, wird der
Druck auf z.B.
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10 kp/cm2 erhöht. Das Harzmaterial kann aus 100 Gewichtsteilen eines
modifizierten Epoxyharzes (z.B. Fluvex 630 von Micafil AG, Schweiz) bestehen, welches
35 Gewichtsteile 2, 3, 4, 5-Tetrahydrotiophen-1, 1-Dioxyd als die Dielektrizitätskonstante
erhöhenden Stoff enthält. Dieser Stoff ist im Harz löslich. Damit das Harzmaterial
während des folgenden Härtens nicht aus der Isolierung herausdringt, kann das imprägnierte
Leiterbündel mit der Glimmerbandbandage mit einem Dichtungsband aus Polytetrafluoräthylen
oder dergleichen umgeben werden.
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Die Spule wird danach zum Härten des Harzmateriales in ein Formwerkzeug
gelegt. Das Härten geschieht bei einer Temperatur von ca. 1400 C während einer Zeit
von ca. 10 Stunden. Die relative Dielektrizitätskonstante des gehärteten Harzmaterials
ist größer als 10 bei 200C und 50 Hz. In Fig. 3 wird ein Schnitt durch einige der
Schichten gezeigt, aus denen die Isolierung 14 aufgebaut ist. Die Glimmerschichten
sind hier mit 20 und die Glasfaserfäden im Glasgewebeband mit 21 bezeichnet. Das
beim Imprägnieren hinzugefügte Harzmaterial bildet Schichten 22
zwischen
den Glimmerschichten 20.
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Beispiel 2 Eine Spule wird unter Verwendung eines Isolierbandes hergestellt,
das vör seiner Aufwicklung auf dem Bündel 17 (Fig.2), das von derselben Art sein
kann wie im Beispiel 1, mit dem Harzmaterial imprägniert wird. Das Harzmaterial
enthält ein ungesättigtes Esterharz, das aus Adipinsäure (11 Molprozent), Phtalsäureanhydrid
(11 Molprozent), Maleinsäureanhydrid (23 Molprozent) und Äthylenglykol (55 Molprozent)
besteht und das einerseits mit einer solchen Menge Diallylphtalat versetzt ist,
daß das Diallylphtalat 40 95 des Gesamtgewichtes von Polyesterharz und Diallylphtalat
ausmacht, und andererseits mit Bensoylperoxyd versetzt ist, das 1 , des Gewichtes
der Mischung ausmacht. Das Esterharz selbst kann durch Reaktion einer Mischung aus
den genannten Säuren und dem Alkohol in inerter Atmosphäre durch Erhöhung der Temperatur
auf 220 0C und Beibehaltung dieser Temperatur, bis die Säurezahl des Reaktionsproduktes
30 beträgt, hergestellt werden. Vor der Imprägnierung des Isolierbandes werden 100
Gewichtsteile des Harzes mit 50 Gewichtsteilen Bariumtitanat als die Dielektrizitätskonstante
erhöhendem Stoff versetzt und mit 100 Gewichtsteilen Aceton verdünnt. Das Isolierband,
das von gleicher Art sein kann wie das im Beispiel 1 beschriebene Glimmerband, kann
mit dem Harzmaterial bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck
imprägniert
werden. Das imprägnierte Glimmerband wird nach dem Abtreiben des Lösungsmittels
mit halber Uberlappung um das Leiterbündel 17 gewickelt, bis dreißig übereinanderliegende
Schichten vorhanden sind, welche die Isolierung 14 bilden. Die Spule wird danach
zum Härten des Harzmaterials bei einer Temperatur von 1600C drei Stunden lang in
ein Formwerkzeug gelegt.
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Beispiel 3 Eine Spule wird in der im Beispiel 2 beschriebenen Weise
hergestellt, jedoch mit dem Unterschied, daß als Harzmaterial zum Imprägnieren des
Glimmerbandes ein Polymer aus Vinylidenfluorid (CH2 - CF2)n benutzt wird, das mehr
als 59 Gewichtsprozent Fluor enthält. Dieses Harzmaterial hat eine Dielektrizitätskonstante
von über 8 bei 20 0C und 50 Hz und kann ohne Zusatz eines die Dielektrizitätskonstante
erhöhenden Stoffes verwendet werden. Zur Imprägnierung des Bandes, was bei Raumtemperatur
und Atmosphärendruck geschehen kann, wird eine Lösung verwendet, die 20 Gewichtsprozent
des Polymers im Dimethylacetamid enthält. Nach dem Entfernen des Lösungsmittels
wird das Band mit halber Überlappung in mehreren Windungen um das Leiterbündel 17
gewickelt, um die Isolierung 14 zu bilden. Die Spule wird danach in ein Formwerkzeug
gelegt, in dem das Harzmaterial einer Temperatur von 1700 C ausgesetzt wird, bis
sich die Windungen verbunden haben, wonach die Spule im Werkzeug abgekühlt wird.
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Beispiel 4 Eine Spule wird in der im Beispiel 1 beschriebenen Weise
hergestellt, jedoch mit dem Unterschied, daß 11 statt 35 Gewichtsteile 2 3, 4, 5-Tetrahydrotiophen-1,1-Dioxyd
verwendet werden. Das gehärtete Harzmaterial hat eine relative Dielektrizitätskonstante
von 6,5 bei 200C und 50 Hz und der Glimmer, bei dem es sich um einen Muskovitglimmer
handelt, hat eine relative Dielektrizitätskonstante von 7 bei 20 0C und 50 Hz.
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in den In den/Beispielen beschriebenen Spulen kann in der Isolierung
74 Glimmerband mit großen Glimmerschuppen verwendet werden. Es können auch andere
als die in den Beispielen 1 und 2 genannten, kommerziell zugänglichen, vollständig
polymerisierbaren Harze, die mit den genannten, die Dielektrizitätskonstante erhöhenden
Stoffen versetzt sind, benutzt werden. Auch wenn viele ungesättig te Polyesterharze
und Epoxyharze bekannt sind, die sich zur Imprägnierung elektrischer Isolierungen
eignen, sollen einige weitere Beispiele für solche Harze genannt werden. So kann
beispielsweise ein Imprägnierungsharz verwendet werden, das aus 60 Gewichtsteilen
eines Reaktionsproduktes aus 3 Mol Maleinsäureanhydrid, 1 Mol Adipinsäure, 4,4 Mol
Äthylenglykol mit einer Säurezahl von 30, und 40 Gewichtsteilen Diallylphtalat besteht
und das 0,75 % Bensoylperoxyd enthält. Ebenfalls kann man ein Imprägnierungsharz
verwenden, das aus 70 Gewichtsteilen eines Reaktionsproduktes aus 1 Mol Fumarsäure,
1 Mol Phtalsäure
und 2,2 Mol Propylengelykol mit einer Säurezahl
von 30, und 30 Gewichtsteilen Monostyrol besteht und das 0,5 % Bensoylperoxyd enthält.
Als ein geeignetes Epoxyharz kann ein Produkt genannt werden, das aus 100 Gewichtsteilen
"Epon 828" (Shell Chemicawl Co) und aus 65 Teilen Hexahydrophtalsäureanhydrid besteht.
Ferner kann ein Produkt genannt werden, das aus 85 Gewichtsteilen Araldit F, 100
Gewichtsteilen Härter 905 (beide von Ciba AG, Schweiz) und 15 Gewichtsteilen Phenylglycidäther
besteht.