DE4023903C1 - Planar insulator for electrical machine or appts. - is laminated construction withstanding high mechanical loading and with curved edges for fitting into grooves - Google Patents

Description

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem flächenförmi­ gen Isolierstoffkörper nach dem Oberbegriff von Pa­ tentanspruch 1. Solche Isolierstoffkörper werden vorzugs­ weise als Nutisolation rotierender elektrischer Maschinen der Hoch- und Mittelspannungstechnik verwendet, können aber auch anderweitig in elektrischen Maschinen und Apparate verwendet werden.

STAND DER TECHNIK

Mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 nimmt die Erfindung Bezug auf einen Stand der Technik von flächenförmigen Isolierstoffkörpern, wie er in der US-PS 38 52 137 beschrieben ist. Der bekannte Iso­ lierstoffkörper ist als mehrschichtige Nutisolation von U- Form ausgebildet, bei der die Schichten mit einem Kleber auf der Basis eines heißgehärteten Epoxidharzes starr miteinander verbunden sind. Aufgrund ihrer starren Beschaffenheit kann diese Nutisolation nach ihrer Fertigstellung nicht mehr verformt werden. Beim Einbau in die Nut einer elektrischen Maschine kann sie daher nicht an die vorgegebene Form der Nut angepaßt werden.

In der US-PS 39 74 314 ist ein weiterer Isolierstoffkörper be­ schrieben. Dieser Isolierstoffkörper kann als Nutisolation mit U- oder L-förmigen Profil ausgebildet sein und weist mehrlagige Isolationsbahnen aus aromatischem Polyamid (Aramid) und Polyheterocyclen auf. Werden solche Isolatio­ nen in eine Nut einer rotierenden elektrischen Maschine eingesetzt, so können bei einer durch die geforderten elek­ trischen Eigenschaften bestimmten Wandstärke der Nutisola­ tion infolge der Verformungen am Radius auf der Außenseite Beschädigungen auftreten. Dies kann zu einem Versagen der Nutisolation führen.

Aus GB-PS 7 88 520 ist eine U-förmige Nutisolation für dynamo-elektrische Maschinen bekannt, welche aus einem Laminat geformt ist, das auf der Außenseite des U eine Papierschicht und auf der Innenseite eine Schicht aus Poly­ äthylen-Terephthalat aufweist. Die beiden Schichten sind miteinander durch einen geeigneten Kleber verbunden, etwa einen solchen auf der Basis Gummi-Latex. Eine solche Nut­ isolation weist allseits eine hohe Flexibilität auf. Nach Einbau in eine Nut der Maschine ist sie daher im Nutgrund nicht kraftschlüssig fixiert. Der Boden dieser Nutisolation weist zudem geringe Steifigkeit und Festigkeit auf, so daß es erforderlich ist, zusätzlich feste Laminateinlagen in den Boden einzukleben.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, liegt die Aufgabe zugrunde, einen insbesondere als Nutiso­ lation ausgebildeten flächenförmigen Isolierstoffkörper zu schaffen, der auch bei starken Verformungen im Bereich des mindestens einen Radius ohne Beschädigungen in eine elek­ trische Maschine oder einen elektrischen Apparat eingebaut werden kann.

Der Isolierstoffkörper nach der Erfindung zeichnet sich da­ durch aus, daß er an selektiv festgelegten Stellen hohe mechanische Festigkeit aufweist und an anderen Stellen be­ schädigungsfrei nahezu beliebigen Verformungen unterworfen werden kann. Bei Ausbildung als Nutisolation kann der Iso­ lierstoffkörper nach der Erfindung beim Einbau in eine elektrische Maschine daher leicht an beliebige Nutformen mit nahezu beliebig kleinen Krümmungsradien angepaßt werden. Zugleich ist gewährleistet, daß unerwünschte, das Isoliervermögen der Nutisolation beeinträchtigende Fremd­ körper nicht zwischen die einzelnen Lagen der Nutisolation eindringen können, wie dies etwa bei mehrlagigen Nutisola­ tionen mit unverklebten Schenkeln der Fall sein kann. Wel­ ligkeiten der Schenkelisolationsbahnen, welche bei mehrla­ gigen Nutisolationen mit unverklebten Schenkeln auftreten können, entfallen weitgehend.

WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt:

Fig. 1 eine Aufsicht auf einen quer zu einer Nut geführ­ ten Schnitt durch einen als Nutisolation ausge­ bildeten flächenförmigen Isolierstoffkörper nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Aufsicht auf eine bei der Herstellung der Nutisolation gemäß Fig. 1 verwendete und mit Klebemittel beschichtete Isolierstofflage, und

Fig. 3 eine Aufsicht auf einen quer zu einer Nut geführ­ ten Schnitt durch einen Teil eines weiteren eben­ falls als Nutisolation ausgeführten Isolierstoff­ körpers nach der Erfindung.

In Fig. 1 bezeichnet 1 eine beispielsweise im Rotor eines Hochspannungsgenerators verwendete Nutisolation mit U-för­ migem Profil. Diese Nutisolation besteht im wesentlichen aus zwei schichtförmig angeordneten Lagen 2, 3 eines flexi­ blen Isolierstoffes von typischerweise 0,5 mm Dicke. Als Material des Isolierstoffes wird bevorzugt ein hochtempera­ turfestes und insbesondere Fasern und/oder Flocken enthal­ tendes aromatisches Polymer, etwa auf der Basis Polyamid, in Form eines Papiers verwendet.

Ein die beiden Schenkel des U verbindender Abschnitt 4 ist vergleichsweise starr ausgebildet und dient als mechanisch hochbelastbares, auf dem Grund der nicht dargestellten Rotornut aufsitzendes Teil. Die Steifigkeit und mechanisch hohe Belastbarkeit des Abschnittes 4 wird dadurch erreicht, daß die beiden Isolierstofflagen 2, 3 im Bereich des Ab­ schnitts 4 mittels einer zwischen ihnen befindlichen Haft­ schicht 5 verbunden sind. Die Haftschicht 5 wird vorzugs­ weise von einem wärmeausgehärteten oder getrockneten Polymer, etwa auf der Basis Epoxid oder Polyester, gebil­ det. Zur Verstärkung des den Leiter des Rotors auf dem Nut­ grund abstützenden Abschnittes 4 kann - falls erwünscht - zusätzlich eine laminierte Glasfaserplatte vorgesehen sein.

Die Schenkel des U enthalten jeweils einen im wesentlichen vertikal erstreckten Abschnitt 6 bzw. 7 sowie jeweils einen zwischen den Abschnitten 4 und 6 bzw. 4 und 7 in die Iso­ lierstofflagen 2, 3 eingeformten Radius 8 bzw. 9. Zwischen den übereinanderliegenden Teilen der Isolierstofflagen 2, 3 sind im Bereich der Abschnitte 6, 7 plastisch oder ela­ stisch verformbare Haftschichten 10, 11 vorgesehen. Solche Haftschichten sind wie auch die vergleichsweise starre Haftschicht 5 typischerweise ca. 50µm dick und können aus einem warmhärtenden oder getrockneten, polymeren, vorzugs­ weise wärmebeständigen Klebstoff, etwa auf der Basis Poly­ acrylat, hergestellt werden. Ein typisches Material für die Haftschichten 10 und 11 ist beispielsweise ein gummiartig verformbarer, acrylathaltiger Kleber. Die Haftschicht 11 ist bis in den Bereich des Radius 9 hinein erstreckt, kann aber auch wie die Haftschicht 10 vor dem Bereich des Radius 8 aufhören. Entsprechendes gilt für die Haftschicht 10, welche bis in den Bereich des Radius 8 hinein erstreckt sein kann.

Auf der freiliegenden, dem Leiter des nicht gezeichneten Rotors zugewandten Oberfläche der Isolierstofflage 3 ist ein Belag 12 aufgebracht. Dieser Belag hat die Aufgabe, darunterliegende Fasern und/oder Flocken der Isolier­ stofflagen 2 und 3 vor Abrieb zu schützen und eine mög­ lichst glatte, faserfreie Oberfläche zu schaffen. Wird zu­ sätzlich auch ein gleichartiger Belag auf der freiliegenden Oberfläche der Isolierstofflage 2 aufgebracht, so wird die Nutisolation 1 zusätzlich vor Feuchtigkeit und Verschmut­ zung geschützt. Der Belag 12 kann vorzugsweise aus einem Verbundwerkstoff, wie etwa einem polyester- oder epoxid­ harzgetränkten Vlies auf der Basis Polyester oder Polyamid, hergestellt werden. Ein solcher Belag zeichnet sich durch Kratzfestigkeit, Kriechstromfestigkeit und Abweisung von Feuchtigkeit aus.

Die Nutisolation 1 kann aus einem vorgefertigten Prepreg gepreßt werden, kann aber auch in herkömmlicher Weise durch sukzessives Übereinanderbringen und Pressen der ver­ schiedenen Lagen hergestellt werden.

Die Herstellung des Prepregs kann entsprechend Fig. 2 wie folgt erfolgen: Zunächst wird die Lage 2 mit einer Schicht 13 eines Polymers auf der Basis Polyester oder Epoxid und mit Schichten 14 und 15 auf der Basis eines Acrylatklebers versehen. Die Schichten 14 und 15 können als typischerweise 50µm dicke Beläge aufgebracht werden, indem sie trocken von einer Trägerfolie abgenommen werden. Hierbei ist zu beachten, daß die beschichteten Flächen den getrockneten oder ausgehärteten Haftschichten 5, 10 und 11 entsprechen. Sodann wird die Lage 3 über die Lage 2 geschichtet. Falls erwünscht, kann die freiliegende Fläche der Lage 3 entspre­ chend der Lage 2 beschichtet und mit einer weiteren Lage Isolierstoff belegt werden. Die oberste Lage des Stapels kann sodann noch mit einem den Belag 12 liefernden Verbund­ werkstoff auf der Basis eines harzgetränkten Polyester­ vlieses versehen werden. Ein solches Prepreg kann entspre­ chend den erwünschten Abmessungen der Nutisolation 1 zuge­ schnitten und bei erhöhten Temperaturen in einer Form unter Aushärtung der verwendeten Harze bzw. Klebstoffe verpreßt werden.

Es ist auch möglich, nur die Schicht 13 auf die Lage 2 auf­ zubringen und nach Auflegen der Lage 3 in einer Form bei erhöhter Temperatur zunächst nur die Haftschicht 5 herzu­ stellen. Anschließend können dann die Haftschichten 10 und 11 und der Verbundwerkstoff aufgetragen und die Nutisola­ tion 1 durch Warmpressen endgültig fertiggestellt werden.

Die Nutisolation 1 weist nach dem Pressen die in Fig. 1 gestrichelt dargestellte Form auf. Beim Einlegen in die nicht dargestellte Rotornut richten sich die Abschnitte 6 und 7 an den Nutflanken auf. Hierbei kann die Nutisolation 1 im Bereich der Radien 8 und 9 nicht beschädigt werden, da die Isolierstofflagen 2 und 3 sich auch bei sehr kleinen Krümmungsradien noch gegeneinander verschieben können. Le­ diglich im Bereich des Abschnitts 4 sind die Isolier­ stofflagen 2 und 3 praktisch starr aneinander gekoppelt. Die dort vorgesehene Haftschicht 5 hat eine Bruchdehnung von höchstens einigen Prozent. Hierdurch ist jedoch ein fester Sitz der Nutisolation 1 auf dem Nutboden gewährlei­ stet. Hingegen haben die Haftschichten 10 und 11 Bruchdeh­ nungen von ca. 100%, was auch nach der Aushärtung der Nut­ isolation noch starke Biegebeanspruchungen ohne Beschädi­ gung der Isolierstofflagen 2 und 3 ermöglicht. Zusätzliche, etwa durch Abkröpfungen 16 gekennzeichnete, Radien können in einfacher Weise in die mechanisch nur geringfügig belasteten Abschnitte 6, 7 der Nutisolation 1 eingeformt werden. Eine besonders gute nachträgliche Verformbarkeit der Nutisolation 1 im Bereich eines Radius, z. B. 8, wird dadurch erreicht, daß dort die Isolierstofflagen 2 und 3 frei von einer Haftschicht, z. B. 10, sind. Die im an­ schließenden Abschnitt, z. B. 6, vorgesehene Haftschicht 10, verhindert dann, daß wie bei nach oben offenen Isolierstofflagen 2 und 3 unerwünschte Fremdkörper zwischen die Isolierstofflagen 2 und 3 treten können.

Die in Fig. 3 teilweise dargestellte Nutisolation 17 von vorzugsweise U-förmigem Profil enthält zwei schichtförmig angeordnete Lagen 18, 19 eines flexiblen und mechanisch hoch belastbaren Isolierstoffs von typischerweise 0,5 mm Dicke. Geeignetes Material ist beispielweise das bereits bei der Isolierstofflage 2 und 3 der Nutisolation 1 be­ schriebene Papier.

Zwischen beiden Isolierstoffla­ gen 18, 19 ist eine weitere Lage 20 eines Isolierstoffs vorgesehen. Dieser Isolierstoff ist dielektrisch höherwer­ tiger, aber mechanisch weniger hoch beanspruchbar wie der Isolierstoff der Lagen 18 und 19 und kann beispielsweise eine Folie sein.

Im Bereich des Nutgrundes sind die drei Isolierstofflagen 18, 19 und 20 mittels Haftschichten 21, 22 auf der Basis eines wärmeausgehärteten oder getrockneten Polymers starr miteinander verbunden. Im Bereich des Nutgrundes kann die Isolation daher mechanisch hoch belastet werden.

Im Bereich der Schenkel der Nutisolation werden die Iso­ lierstofflagen 18, 19 und 20 mittels elastisch oder plastisch verformbaren Haftschichten 23, 24 zusammengehal­ ten. Die Haftschichten 23, 24 können die gleiche Bemessung und den gleichen Materialaufbau aufweisen wie die Haft­ schichten 10, 11 der Nutisolation 1. Sie können sich - wie in Fig. 3 dargestellt - von den Schenkeln des U-Profils über einen Radius bis in den Nutgrund hinein erstrecken.

Gegenüber der Nutisolation 1 weist die Nutisolation 17 zusätzlich noch folgende Vorteile auf. Sie ist dielektrisch besonders hochwertig und trotz Verwendung eines gegen me­ chanische Beanspruchung vergleichsweise empfindlichen Mate­ rials äußerst robust. Die mechanisch hoch beanspruchbaren äußeren Isolierstofflagen 18 und 19 schützen die mecha­ nisch weniger robuste, aber dielektrisch besonders hochwer­ tige Isolierstofflage 20 vor unzulässig hohen Kräften. Hierbei werden die Kräfte zum größten Teil durch die äu­ ßeren Schichten 18 und 19 aufgenommen und wird deren Über­ tragung durch die flexiblen Haftschichten 23 und 24 wesent­ lich reduziert. Unerwünschte Rißschäden in der gegen mechanische Kräfte vergleichsweise anfälligen Schicht 20 werden so weitgehend vermieden.

Entsprechend der Nutisolation 1 können auch bei der Nutiso­ lation 17 die freiliegenden Oberflächen durch einen Belag, etwa auf der Basis eines feuchtigkeitsabweisenden und kriechstromfesten Verbundwerkstoffs, abgedeckt werden.

Je nach Anforderungen an Isolationsvermögen und Dicke der verwendeten Isolierstofflagen können die Nutisolationen 1 bzw. 17 selbstverständlich auch aus mehr als 2 bzw. 3 Isolierstofflagen aufgebaut sein.

Claims (11)

1. Flächenförmiger Isolierstoffkörper für elektrische Maschinen oder Apparate, insbesondere Nutisolation (1), enthaltend
mindestens zwei schichtförmig angeordnete und mittels mindestens einer Haftschicht (5, 10, 11, 23, 24) miteinander verbundene Lagen (2, 3, 18, 19, 20) mindestens eines flexiblen Isolierstoffs,
mindestens einen von übereinanderliegenden und starr miteinander verbundenen Teilen der Isolierstofflagen gebildeten, mechanisch belastbaren ersten Abschnitt (4),
mindestens einen von übereinanderliegenden Teilen der Isolierstofflagen gebildeten zweiten Abschnitt (6, 7), und
mindestens einen zwischen dem ersten (4) und dem zweiten Abschnitt (6, 7) angeordneten und in die Iso­ lierstofflagen eingeformten Radius (8, 9, 25),
dadurch gekennzeichnet, daß die den mindestens einen ersten (4) und mindestens einen zweiten Abschnitt (6, 7) bildenden Teile der Isolierstofflagen mittels unterschiedlich verformbarer Haftschichten (5, 10, 11, 23, 24) miteinander verbunden sind, daß die im mindestens einen zweiten Abschnitt (6, 7) vorgesehene Haftschicht (10, 11, 23, 24) plastisch oder elastisch verformbar ausgebildet ist, und daß die mindestens zwei Isolierstofflagen (2, 3, 18, 19, 20) im Bereich des mindestens einen Radius (8, 9, 25) gegeneinander verschiebbar angeordnet sind.

2. Isolierstoffkörper nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens drei Isolierstofflagen (18, 19, 20) schichtförmig übereinander angeordnet sind, von denen eine zwischen zwei außenliegenden ersten Isolierstofflagen (18, 19) befindliche zweite Isolier­ stofflage (20) aus einem gegenüber dem Material der beiden außenliegenden Isolierstofflagen dielektrisch höherwertigen, aber mechanisch weniger hoch belastbaren Isolierstoff besteht und zumindest im Bereich des zweiten Abschnitts auf beiden Seiten zumindest teil­ weise mit der elastisch oder plastisch verformbaren Haftschicht (23, 24) versehen ist.

3. Isolierstoffkörper nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Haft­ schicht (10, 11, 23, 24) in den Bereich des mindestens einen Radius (8, 9, 25) erstreckt ist.

4. Isolierstoffkörper nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich des minde­ stens einen Radius (8, 9) frei von der mindestens einen Haftschicht (10, 11) ist.

5. Isolierstoffkörper nach einem der Ansprüche 1-4, da­ durch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Haft­ schicht (10, 11, 23, 24) ausgehärteten oder getrockne­ ten Klebstoff enthält.

6. Isolierstoffkörper nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die mindestens zwei Isolierstofflagen (2, 3, 18, 19, 20) und die mindestens eine Haftschicht (10, 11, 23, 24) jeweils ein hochtemperaturbeständiges Polymer enthalten.

7. Isolierstoffkörper nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die mindestens zwei Isolierstofflagen (2, 3, 18, 19, 20) ein aromatisches Polyamid enthalten und die mindestens eine Haftschicht (10, 11, 23, 24) ein Polymer auf der Basis Acrylat aufweist.

8. Isolierstoffkörper nach einem der Ansprüche 1-7, da­ durch gekennzeichnet, daß mindestens eine (3) der mindestens zwei Isolierstofflagen (2, 3) Fasern und/oder Flocken enthält, welche durch mindestens einen auf die freiliegende Oberfläche der mindestens einen Isolierstofflage (3) aufgebrachten Belag (12) zumindest teilweise abgedeckt ist.

9. Isolierstoffkörper nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der mindestens eine Belag (12) von einem abriebfesten Verbundwerkstoff gebildet ist.

10. Isolierstoffkörper nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Verbundwerkstoff auf einem harzge­ tränkten Polyester- oder Polyamidvlies basiert.

11. Isolierstoffkörper nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß in den mindestens einen zweiten Abschnitt (6, 7) ein weiterer Radius einge­ formt ist.