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Verfahren zur Herstellung von Isolierungen auf polimerisationshindernden
Metallen, z. B. Kupfer Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrischen
Isolierung von Metallen mit Hilfe einer Lage aus anorganischen Bestandteilen, die
durch einen organischen Binder gebunden sind.
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Um einen höheren Wirkungsgrad und hohe Isolationsfähigkeit bei elektrischen
Spulen zu sichern, ist es bereits bekannt, die Windungen der Spulen mit einer Hülle
zu versehen, welche aus einem Faserstoff besteht, der anorganische Bestandteile,
wie Glimmerschuppen, durch einen organischen Binder gebunden, enthält.
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Um optimale elektrische Eigenschaften zu erhalten, werden derartig
umhüllte Spulen mit einem isolierenden Firnis o. dgl. imprägniert. Das Imprägnierungsverfahren
besteht darin, daß die umhüllten Windungen zunächst einer Vakuumbehandlung unterworfen
werden, um Feuchtigkeit, Gase und flüchtige Bestandteile aus der Spule und der Hülle
zu entfernen, und daß man erst daraufhin den isolierenden Firnis verwendet, welcher
gewöhnlich aus einem polimerisierten Harz, in einem Löser gelöst, besteht. Diese
Imprägnierung wird in der Regel unter Druck vorgenommen, um zu erreichen, daß das
Imprägniermittel in alle vorhandenen Zwischen- und Hohlräume eintritt.
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Es wurde jedoch festgestellt, daß selbst bei Beachtung äußerster Sorgfalt
unter Verwendung wiederholter Firnisbehandlung nur eine unvollkommene Imprägnierung
mit dem Firnis oder Harz stattfindet. Versuche bei zunehmender Spannung zeigten
für gewöhnlich ein Anwachsen des Leistungsfaktors, der das Vorhandensein von Hohlräumen
und Zwischenräumen in der Isolierung der Spule anzeigt. WüFde die Spule
vollkommen
imprägniert sein, würde die Veränderung des Leistungsfaktors mit der Änderung der
Spannung sehr klein sein. Es wurden mehrere Gründe für die unvollkommene Imprägnierung
ermittelt. Das in dem Firnis oder Harz vorhandene flüchtige Lösungsmittel hinterläßt
nach Verflüchtigung zufolge der Hitzebehandlung Hohlräume. Versuche, diese Hohlräume
durch zwei, drei oder mehrere Wiederholungen der Imprägnierung zu beseitigen, führten
nicht zu einer völligen Imprägnierung, d. h. einer solchen, die hohlräumefrei ist.
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Selbst die Anwendung eines sogenannten löserfreien oder vollkommen
polimerisierbaren Materials verbessert die Isolierung der Spule nur unwesentlich.
Zunächst wurde dabei festgestellt, daß die Hülle, bestehend aus dem Faserstoffgewebe
o. dgl., das durch den anorganischen Binder gebunden, anorganische Bestandteile
enthält, das Eindringen des zu polimerisierenden Imprägniermittels behindert.
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Vergleichsversuche unter Verwendung von Hüllen mit und ohne harzartige
Binder zeigen, daß die wesentliche Schwierigkeit durch die Imprägnierung der Spule
hervorgerufen ist infolge der Anwesenheit eines solchen harzartigen Binders in der
Hülle und auf der Außenseite der Spule.
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Eine markante Gruppe der löserfreien und vollkommen polimerisierenden
Harze besteht aus flüssigen Vinylmonomeren mit der Gruppe H,C = C ; , wie z. B.
Monostyrene, Methylmethacrylat, Allylalkohol u. dgl. Es ist eine bekannte Tatsache,
daß diese Stoffe in Kontakt mit manchen Metallen, insbesondere Kupfer, schwer zu
polimerisieren sind. Kupfer scheint eine erhebliche Behinderung der Polimerisation
auszuüben. Nach einem verhältnismäßig kurzen Kontakt mit Kupfer nehmen diese Vinylmonomeren
grüne Farbe an und werden unansehnlich. Es wird, wenn nicht als unmöglich, so doch
als unvorteilhaft angesehen, Vinylmonomere in direktem Kontakt mit Kupfer zu polimerisieren
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen,
welches die Polimerisation von Vinylmonomeren im Kontakt mit Kupfer oder ähnlich
wirkenden Materialien gestattet.
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Die Erfindung geht davon aus, daß man Metalle, insbesondere Kupfer,
mit einem Belag oder einer Hülle versieht, die aus mit organischem Bindematerial
gebundenen anorganischen Bestandteilen, wie Glimmerschuppen, besteht, daß man die
aufgebrachte Hülle sodann imprägniert und polimerisiert mit solchen Stoffen, welche
die Gruppe H,C = C - enthält und deren Polimerisation durch das Metall behindert
wird. Die Erfindung besteht darin, daß man den organischen Binder des anorganischen
Belags oder der Hülle durch Erhitzen in einer sauerstoffarmen Atmosphäre zersetzt,
sodann erst die Imprägnierung mit poiimerisationsbaren Stoffen der Gruppe H,C =
C - vornimmt und polimerisiert.
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In der Zeichnung zeigt die Fig. i ein Schema der aufeinanderfolgenden
Arbeitsgänge zur Durchführung des Verfahrens, Fig. 2 im Schrägriß eine im Stadium
der Isolierung befindliche Windung.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Leiter,
z. B. ein Kupferdraht, zunächst mit einer Hülle umgeben, welche aus Glimmerschuppen
in Verbindung mit einem Träger, z. B. einem Glas-, Asbestgewebe o. dgl., gebunden
durch einen organischen Binder, besteht. Daraufhin wird eine Hitzebehandlung vorgenommen,
und zwar in der Weise, daß nur ein Zersetzungsprodukt des harzartigen Binders vorhanden
ist. Die so behandelte und daran schließend mit einem löserfreien polimerisierbaren
Stoff imprägnierte und polimerisierte Isolierung besitzt elektrische Eigenschaften
höchster Rangordnung.
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Die erste Behandlungsstufe gemäß der Fig. i ist finit io bezeichnet.
Sie besteht darin, daß man den Leiter mit einer Hülle umgibt, wie oben beschrieben.
Die Hülle besteht aus anorganischem Stoff und ist durch einen organischen Binder
gebunden. Die so behandelte Spule wird in einem Ofen einer Hitzebehandlung in sauerstoffarmem
Medium, wie z. B. Stickstoff, Kohlensäuregasgemischen o. dgl., unterworfen, um den
harzartigen Binder zu ersetzen und den übrigen Teil zu verflüchtigen. Diese Behandlung
wird vorgenommen, um der Kupferoberfläche die Tendenz zu nehmen, die Polimerisierung
des die Gruppe HZC = C.- aufweisenden polimelisierbaren Stoffes zu behindern. Der
verkohlte Rückstand, der von der Zersetzung des harzartigen Binders herrührt, beeinflußt
die Imprägnierung der Spule nicht wesentlich. Die Hitzebehandlung der Spule wird
in Verfahrensstufe 1q. einem Imprägnierungsprozeß unterworfen, nachdem die Spule
vorher vollkommen entlüftet wurde, um nicht nur die Luft, sondern auch die Feuchtigkeit
zu beseitigen. Nach dieser Entlüftung erst erfolgt die Behandlung mit dem löserfreien,
polimerisierbaren Harz, um so eine vollkommene Imprägnierung zu gewährleisten. In
vielen Fällen genügt ein Eintauchen der hitzebehandelten Spule in das löserfreie
Harz, und zwar besonders dann, wenn durch Druckeinwirkung, wie durch die Verfahrenstufe
16 angedeutet, das Eintreten des Imprägnierungsmaterials in die Zwischenräume der
anorganischen Stoffe, nämlich der Glimmerschuppen, gefördert wird. Andernfalls wird
die vakuumimprägnierte Spule in den Ofen 16 gegeben und dort bei einer Temperatur
von 125' bis i5o ° C behandelt. Bei dieser Temperatur polimerisiert das Imprägnierungsmittel
zu einem harten, schwer schmelzbaren Stoff.
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Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Hülle
besteht aus einem durch anorganisches Material gebildeten Geflecht, Gewirke o. dgl.
und Glimmerschuppen, die unter Verwendung eines organischen Harzbinders miteinander
verbunden sind. Als solche Harzbinder kommen im wesentlichen in Betracht elastische
Binder, wie z. B. Polyisobutylen, Terpen-Rizinusöl-Gemische, Asphaltmaterial u.dgl.
Die so hergestellten Isolierhüllen werden in üblicher Weise in Bänder geschnitten,
können jedoch auch in anderer Form Verwendung finden. Die Hüllen werden auf einen
Kupferleiter gebracht, gewöhnlich einen solchen, der eine aus einer Mehrzahl von
Wicklungen bestehende Spule darstellt. Unter Spule ist nicht etwa eine Mehrzahl
von Windungen allein verstanden, sondern ein Leiter im allgemeinen, der mindestens
eine Krümmung, z. B. eine Haarnadelkrümmung, aufweist.
Es wurde
festgestellt, daß es zweckmäßig ist, die Hülle aus anorganischem Stoff, gebunden
durch das organische Harzbindemittel, während einer Zeit von ungefähr i Stunde auf
eine Temperatur von 400 bis 450' C zu erhitzen, und zwar innerhalb einer sauerstoffarmen
Atmosphäre. Diese Behandlung hat die Aufgabe, den Hauptanteil des anorganischen
Bindemittels zu zersetzen und zu verflüchtigen. Der harzartige Binder verkohlt bei
dieser Behandlung und hinterläßt einen' Rückstand von poröser Kohle, der über den
anorganischen Träger verteilt ist. Auch auf dem Kupferleiter finden sich solche
Zersetzungsprodukte. Wenn der Leiter nach dieser Hitzebehandlung aus dem Ofen entfernt
wird, zeigt er (Kupfer) eine Verfärbung, ohne daß jedoch irgendeine Zerstörung oder
sonstige Einwirkung auf das Kupfer stattgefunden hätte.
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Ein vollständiges Ausbreniren des organischen Binders ist nicht notwendig
und vor allen Dingen auch nicht zweckmäßig. Die Isolationshüllen würden hierdurch
nur locker werden. Es macht den Eindruck, daß die Kohleteilchen eine bindende Wirkung
auf die einzelnen anorganischen Bestandteile der Hüllen noch ausüben, so daß die
Bindung immerhin eine erheblich bessere ist, wenn nicht vollkommen ausgebrannt wird,
als im anderen Falle. Die Höhe der Hitzebehandlung von etwa 300 bis 60o °
C ist allein dadurch bestimmt, daß eine Zersetzung und Verflüchtigung des organischen
Binders erfolgt ohne vollkommenes Ausbrennen.
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Der Zweck der Hitzebehandlung ist die Beseitigung des harzartigen
Bindemittels, um so jede Möglichkeit der Behinderung des Eindringens des Imprägniermittels
zu beseitigen. Einen besonderen Wert besitzt die Hitzebehandlung insofern noch,
als dadurch dem Kupfer die Eigenschaft der Behinderung der Polimerisation der Harze
vom Vinyltyp genommen wird. Der Kupferleiter kann nach dieser Wärmebehandlung mit
Monostyren oder anderen ähnlichen Harzen überzogen werden, und diese Harze polimerisieren
ohne jede Schwierigkeit.
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Die Spule der Fig. 2 besteht aus einer Mehrzahl von Leiterwindungen
20, welche mit einer isolierenden Umwicklung versehen sind. Wenn jede Leiterwindung
20 aus einem einzigen Kupferdraht oder -stab besteht, so kann deren Isolierung aus
einem hitzebeständigen Überzug, wie Phenyläthylsilikon oder Phenyläthylsilikon allein
oder in Verbindung miteinander, bestehen. Diese Stoffe können auch zusammen mit
einer Hülle aus Glasfaserfabrikat, Asbest o. dgl. angewendet werden. Für manche
Zwecke mag es auch genügend sein, wenn jede einzelne Leiterwindung umhüllt ist durch
nicht hitzebehandeltes Glasfaser- oder anderes anorganisches Fasermaterial. Die
Glasfasern können aus endlosen Faden, Stapelfasern oder Garnen bestehen. Sie können
verwendet werden in Form von Litzen, Bändern oder Blättern. Es können natürlich
auch Windungen verwendet werden, die, zu einer Einheit zusammengefaßt, aus einer
'.Mehrzahl von Leitern bestehen. In diesem Falle wird die Einheit in beschriebener
Weise umkleidet.
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Gemäß der Zeichnung sind die Windungen 2o der Spule durch eine Mehrzahl
von Lagen 22, 24, 26 umhüllt, die aus Glimmerschuppenbändern bestehen. Die einzelnen
Lagen können dabei nebeneinanderliegen, sie können sich aber auch gegenseitig überlappen.
Es läßt sich natürlich eine beliebige Anzahl von Bändern verwenden. So wurden z.
B. hergestellt mit bis zu sechzehn getrennten Lagen, von denen jede eine Glimmerschicht
von 0,126 mm Stärke besaß. Die Endstärke der Isolierhülle hängt ab von der
verlangten dielektrischen Festigkeit und anderen Faktoren. Nach der Zeichnung besteht
die gewundene Hülle aus einer Schicht 28 aus anorganischem Fasermaterial und der
Schuppenlage 30. Dabei wird in den meisten Fällen die Schuppenlage 3o beidseitig
durch eine Lage 28 belegt sein.
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Um den Reibwiderstand der Spule zu erhöhen und eine dichtere Isolation
zu gewährleisten, ist noch eine Hülle 32 vorgesehen, welche aus Glasfasermaterial,
Asbestgewebe oder anderem anorganischem Fasermaterial besteht. Diese Lage 32 wird
auf die Wicklung aufgebracht, ehe die Hitzebehandlung zum Zwecke der Zersetzung
des Bindemittels vorgenommen wird.
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Die hitzebehandelte Spule wird mit einem Firnis oder Harz imprägniert
oder in diese getaucht, in solcher Weise, daß der Firnis oder das Harz durch die
Hüllen 22, 24, 26 und die Glasfaserumwicklung 32 eintritt, um mit dem Kupferleiter
in Berührung zu treten, ohne jegliches Freilassen von Hohlräumen. Auf diese Imprägnierungsbehandlung
folgt die Hitzebehandlung oder eine Behandlung mit aktivem Licht oder beides, um
die Polimerisation des Firnisses oder Harzes herbeizuführen. Dadurch wird ein harter
Harzüberzug 34 auf der Spule innerhalb der einzelnen Umhüllungen derselben und auf
dem Leiter erzeugt. Um gute elektrische Eigenschaften zu erhalten, werden vollkommen
polimerisierbare Imprägniermittel verwendet, solche, welche gewöhnlich als löserfreie
bezeichnet werden. Zahlreiche flüssige, löserfreie Firnisse sind brauchbar, z. B.
Lösungen von Estern der Maleinsäure mit mehrwertigen Alkoholen oder andere Alkydharze,
welche in Monostyren oder anderen polimerisationsfähigen Stoffen des Vinyltyps mit
der Gruppe H,C = C gelöst sind. Ein Imprägniermittel besitzt z. B. folgende Zusammensetzung:
76 Gewichtsteile Propylenglykol, 112 Gewichtsteile Bernsteinsäure und 4,9 Gewichtsteile
Maleinsäureanhydrid.
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Ein solches Imprägniermittel wird etwa 16 Stunden lang bei Temperaturen
von i80 bis 230' C behandelt. 6o Gewichtsteile des so gewonnenen Alkydharzes
werden in 4o Gewichtsteilen Monostyren gelöst, welches als Katalysator
0,5 Gewichtsteile Benzoylperoxyd enthält. Diese Zusammensetzung ist vollkommen
flüssig und dringt rasch in die Spule ein. Eine, wie oben beschrieben, entlüftete
Spule wird mit diesem Mittelbehandelt. Diese Behandlung kann zum Zwecke der Forcierung
der Imprägnierung unter Druck erfolgen. Nach erfolgter Imprägnierung wird die Spule
aus der Kammer genommen und auf etwa 30 Minuten einer Hitzebehandlung bei
130' C unterworfen. Das Imprägnierungsmittel polimerisiert zur harten Modifikation.
Da das Imprägnierungsmittel die Wicklung vollkommen durchdrungen hat, ist sie vollkommen.
Leerräume oder Zwischenräume sind nicht vorhanden, wie ein Aufschneiden der Spule
beweist.
Rizinusöl mit einer ungesättigten Dicarboxylsäure kann
in Monomeren gelöst werden, die die Gruppe H$C = C - enthalten. Die Lösung kann
als Imprägnierungsmittel verwendet werden. Sie polimerisiert zu einem festen Harz.
Um ein Beispiel zu nennen, werden ioo Gewichtsteile Rizinusöl bei einer Temperatur
unter 15o° C mit 2o Gewichtsteilen Maleinsäureanhydrid umgesetzt. Es wird dabei
der Halbester der Maleinsäure gebildet. Das Rizinusölmaleat wird in gleicher Gewichtsmenge
Monostyren gelöst. Es entsteht eine Lösung von niedriger Viskosität, welche als
Imprägniermittel geeignet ist und welche sich zur festen Modifikation mit guten
elektrischen Eigenschaften polimerisieren läßt. Die zur Verwendung kommenden Monomeren
besitzen die Gruppe HZC = C und sind die Löser für die Alkyde und Ester, welche
je nach der Art der verlangten Eigenschaften verwendet werden. Typische Monomere
sind Monostyren, Vinylacetat, Methylmethacrylate, Methylvinylketone, Acrylnitrite,
Parachlorostyrene, Alkydalkohol und Acrylsäure.
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Die Umsetzungsstoffe sind von Natur aus wärmeerhärtend. Diese Eigenschaft
ist deshalb von hohem Wert, weil die Harze aus den Spulen nicht ausfließen, selbst
wenn diese höheren Temperaturen unterliegen.
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Zu Versuchszwecken wurde eine Reihe von Spulen bekannter Art hergestellt,
indem man die Wicklungen mit fünf Lagen von Bändern aus Glasfasermaterial und Glimmerschuppen,
durch ein Bindemittel miteinander verbunden, versehen hat. Es wurde noch eine äußere
Lage eines Glasfaserbandes von o,178 mm Stärke aufgebracht. Es wurde imprägniert
und gepreßt. Die dielektrische Festigkeit lag nicht über einem Durchschnitt von
5ooo Volt. Zum Vergleich wurden Spulen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt.
Es kamen ebenfalls fünf Lagen zur Verwendung und eine äußere Lage, bestehend aus
einem Glasfaserband. Die Spule wurde i Stunde lang bei einer Temperatur von 150'
behandelt und sodann mit einem löserfreien Harz imprägniert. Es wurde eine Durchschlagsfestigkeit
von io ooo Volt festgestellt. Einzelne Spulen hielten sogar eine halbe Minute lang
einer Spannung von 12 000 Volt stand. Diese dielektrischen Eigenschaften
sind außergewöhnlich.
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Die Wärmeleitfähigkeit der Isolation wird durch die Wärmebehandlung
in Verbindung mit einem löserfreien Harz als Imprägnierungsmittel erheblich verbessert.
Die Kapazität mit erfindungsgemäßer Isolierung ausgestatteter Apparate und Spulen
ist bedeutend höher. Motore und Generatore können, soweit diese nicht zu hoch sind,
Überlastungen unterliegen, ohne daß eine Zerstörung eintritt.
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Als löserfreie Harze können verwendet werden: Monostyren, das einen
gewissen Gehalt an Polystyren aufweist. Dieses Polystyren hat die Aufgabe, die Viskosität
zu steuern. Außerdem kommen in Betracht chlorinierte Styrene, wie z. B. Dichlorostyren,
das einen gewissen Gehalt eines Polimerisats derselben Stoffe enthält. In einigen
Fällen können Mischungen von Stärkegummi oder Tungöl und eintrocknende Öle und ein
Trockner zur Behandlung der Spule angewendet werden.
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Wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren isoliert, genügt in der
Regel schon eine einzige Imprägnierung, um alle Zwischenräume und Poren der Spule
zu füllen. Das Ergebnis ist nicht nur eine erhebliche mechanische Festigkeit, sondern
auch eine erhebliche dielektrische Festigkeit. Die Spule weist vor allen Dingen
auch einen ungewöhnlichen Leistungsfaktor auf. Die Feuchtigkeitsabsorption derartiger
Spulen ist so gering, daß sie nicht in Rechnung gezogen zu werden braucht. Corona
oder andere Erscheinungen sind nicht anzutreffen, selbst wenn Spannungen in der
Größenordnung von 4000 Volt und höher an die Spule gelegt werden. Selbst für Höchstspannungen
bestimmter elektrischer Ausrüstungen können mit erfindungsgemäßen Isolationen ausgestattet
sein. Die Isolierung ist nicht nur verwendbar für rotierende Spulen, wie z. B. Feldspulen,
Statorwicklungen u. dgl., sondern auch für Magnetspulen von Relais, Transformatoren
u. dgl.
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An Stelle von Glimmerschuppen läßt sich natürlich auch anderes Material
von gleichwertigen Eigenschaf- . ten verwenden. Es kommen in Betracht Filme von
gebundenem Bentonit, Vermiculit u. dgl.