DE954436C

DE954436C - Elektrische Isolierung aus mit harzartigem Material impraegniertem, biegsamem, faserfoermigem, anorganischem Material

Info

Publication number: DE954436C
Application number: DEG10058A
Authority: DE
Inventors: Paul Otis Nicodemus
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1951-10-31
Filing date: 1952-10-25
Publication date: 1956-12-20
Also published as: US2674648A; JPS303123B1

Description

Elektrische Isolierung aus mit harzartigem Material imprägniertem, biegsamem, faserförmigem, anorganischem Material Die Erfindung betrifft eine verbesserte elektrische Isolation, insbesondere für Magnetdrähte, wie sie für Statoren und Rotoren von dynamoelektrischen Maschinen verwendet werden. Derartige Magnetdrähte sind Leiter verschiedener Querschnittsform, beispielsweise von rundem oder quadratischem Querschnitt oder auch von flach rechteckigem Querschnitt, verschiedener Breite und Dicke. Derartige Leiter sind z. B. 12,7 mm breit und etwa 1,6 mm dick. Isolationen für solche Magnetdrähte müssen besonders gute mechanische und elektrische Eigenschaften aufweisen und sollen möglichst dünn sein. Die bekannten isolierten Leiter befriedigen in physikalischer und elektrischer Hinsicht noch nicht, vor allem, wenn es sich um Leiter vom größerem rechteckigem Querschnitt handelt. Bisher wurde Asbest auf derartige Drähte entweder in Form loser, durch eine Karde gleichgerichteter Fasern oder als Garn oder leicht gedrehtes Gespinst aufgebracht, indem der Asbest um die Drähte gewickelt und die Umhüllungen mit isolierenden Massen imprägniert wurden. Die Umhüllungen aus Asbest, dessen Fasern durch eine Karde gleichgerichtet wurden, bilden auf flachen Oberflächen zu dicke Isolationen, und an, den Ecken und Kanten ist die Isolation wiederum zu dünn. Die Umhüllungen aus leicht verdrilltem Asbest sind ungleichmäßig, klumpig und haben ebenfalls eine zu große Dicke. Derart isolierte Drähte halten eine Biege- und Verdrehungsbeanspruchung meist nicht ohne Schaden aus.
Es sind auch schon wärmebeständige biegsame Hochspannungskabel mit einer Isolierung aus einem Glasgewebe- oder Glasgewebe-Glimmer-Band bekannt, dessen Lücken durch ein im Zweistufenverfahren aus mehrwertigen Alkoholen, Oxysäuren und ein- oder mehrbasischen Säuren hergestelltes Harz gefüllt sind. Das angewendete Harz hat zwar eine besonders gute Haftfestigkeit gegenüber Glimmer und Glas, und es lassen sich auf diese Weise Isolierungen mit guten thermischen und dielektrischen Eigenschaften herstellen, die aber nicht den Anforderungen genügen, die an isolierte Magnetdrähte; insbesondere mit rechteckigem Querschnitt, hinsichtlich der mechanischen Festigkeit, des Abriebwiderstandes u. dgl. gestellt werden.
Die geschilderten Schwierigkeiten und Nachteile werden durch eine elektrische Isolierung aus mit harzartigem Material imprägniertem, biegsamem, faserförmigem, anorganischem Material, insbesondere für elektrische Leiter, behoben, wobei erfindungsgemäß das harzartige Material aus einer ersten Imprägnierung aus einem polymerisierbaren Acrylsäureester, vorzugsweise einem Mischpolymerisat aus Acrylsäureäthyl- und -methylester, und einer zweiten Imprägnierung aus einer teilkondensierten Mischung aus einem Epoxygruppen enthaltenden Äthoxylinharz und einem sauren ungesättigten polymerisierbaren Polyester besteht.
Diese Isolation haftet einheitlich und fest und ist gegen Abrieb, Verschiebung oder andere Beschädigungen beim Biegen, Verdrehen, Schlaufenbilden oder Anschmiegen widerstandsfähig. Sie besitzt weiterhin eine besonders hohe Hitzefestigkeit, Feuchtigkeitsbeständigkeit und gute dielektrische Festigkeit. Diese Vorteile sind verbunden mit einer verminderten Dicke der Isolation, so daß die Windungen weniger Raum beanspruchen, wodurch wiederum ein größerer Wirkungsgrad der elektrischen Vorrichtungen gewährleistet ist.
In der Zeichnung ist in Fig. I in vergrößertem Maßstab ein Teil eines elektrischen Leiters perspektivisch dargestellt, der mit einer Isolation gemäß der Erfindung versehen ist, und Fig. 2 zeigt einen Teil einer vorgeformten Windung, die aus einem gemäß der Erfindung isolierten Magnetdraht besteht.
Keiner der zur Verfügung stehenden Isolierstoffe weist für sich allein alle die physikalischen und chemischen Eigenschaften auf, die für Magnetdrahtisolationen erwünscht sind.
Die Isolation besteht aus überlappenden Windungen eines zähen, festen, mit einer neuen Kombination plastischer Massen versehenen Bandes, die unter Hitze und Druck zu einem zähen, festen und festhaftenden einheitlichen Überzug vereinigt werden, der die gewünschte Hitzebeständigkeit, Verschleißfestigkeit, Biegsamkeit und einen geringen Füllfaktor aufweist.
Ein derartiges Band besteht zunächst aus einer Matte aus einem anorganischen Stoff, der ganz oder zum vorwiegenden Teil aus anorganischen wärmebeständigen Fasern, wie Asbest, gesponnenem Glas, gesponnenem Quarz, besteht. Blattartige Stoffe aus kolloidem Ton und Asbest lassen sich ebenfalls verwenden, ebenso eine Kombination dieser Stoffe. Vorzugsweise wird aber dünnes blattartiges Asbestmaterial geringer Dicke und besonders guter Qualität verwendet. Derartige anorganische Matten werden vorteilhafterweise mit einer geringen Menge Stärke in wäßriger Lösung imprägniert und vor der Behandlung mit dem Isolierstoff, wie noch näher beschrieben wird, getrocknet. Eine geringe Menge Stärke, z. B. 2%, mit einer Toleranz von ½% vermindert die Wärmebeständigkeit nicht, dagegen verbessert die Stärke die physikalischen Eigenschaften des anorganischen blattförmigen Materials, insbesondere im Hinblick auf die anschließende Imprägnierung.
Das mit Stärke behandelte anorganische blattartige Material oder Band erhält zunächst eine thermoplastische Imprägnierung, welche Festigkeit und Biegsamkeit des anorganischen blattförmigen Materials sowie seine Isolation und dielektrischen Eigenschaften verbessert. Das Imprägniermittel darf bei den Temperaturen, bei denen die Umhüllungen oder Bänder des Drahtes verfestigt werden, nicht hart und brüchig werden, da der fertige isolierte Draht noch biegsam sein muß. Ein geeignetes thermoplastisches Imprägniermittel mit den gewünschten Eigenschaften ist eine Lösung harzartiger Polymerer von Abkömmlingen der Acrylsäure, wie z. B. Methylacrylat und Äthylacrylat. Es lassen sich Imprägniermittel mit 50 . .. 9o% Äthylacrylat und 5o ... Io% Methylacrylat verwenden; obwohl auch Mischungen, von 70...90% Äthylacrylat und 30 ... Io% Methylacrylat copolymerisiert werden können. Das blattförmige Material wird mit einer Lösung der Acrylatmischung in einem leicht verdampfbaren Lösungsmittel, wie Toluol, imprägniert. Ein Feststoffgehalt der Lösung von 20% ist geeignet. Nach der Imprägnierung wird das Lösungsmittel verdampft. Nach der Entfernung des Lösungsmittels sollte das Grundmaterial einen Harzgehalt von 20 ... 23% aufweisen.
Nach der Imprägnierung ist das aus Asbest oder anderem anorganischem Material bestehende blattartige Material noch nicht zäh und abriebfest genug, obwohl seine Festigkeit, Biegsamkeit und die dielektrischen Eigenschäften schon verbessert sind. Um auch diese Eigenschaften des blattförmigen Materials noch zu verbessern, wird es mit einer hitzehärtbaren plastischen Masse, die die gewünschten Eigenschaften ebenso wie hohe Hitzebeständigkeit aufweist, überzogen und teilweise noch imprägniert. Ein geeignetes Überzugsmaterial ist ein teilkondensiertes Produkt aus einem sauren polymerisierbaren Polyester mit einer freien Carboxylgruppe, der durch Umsetzung einer Mischung aus zweiwertigem Alkohol, beispielsweise Äthylenglykol, mit einer ungesättigten α, 3-Dicarbonsäure oder deren Anhydrid, z. B. Maleinsäureanhydrid, erhalten wird, und einem komplexen Epoxyharz, das ein Polyätherabkömmling einer organischen Polyoxyverbindung, beispielsweise eines mehrwertigen Alkohols oder Phenols, mit Epoxygruppen ist. Dieses Teilkondensationsprodukt ist noch löslich und schmelzbar. Durch Wärmebehandlung geht es infolge weiterer Kondensation in den unlöslichen, unschmelzbaren, hitzegehärteten Zustand über. In diesem Zustand wird das Harz der Kürze wegen als A-Harz bezeichnet.
Vor der Umhüllung mit dem oder den Streifen wird der zu isolierende Metalleiter mit einem hitzehärtbaren Klebemittel, in der Figur mit 6 bezeichnet, beispielsweise einem Klebemittel vom Vinyltyp, vom Polyestertyp, vom Epoxydtyp, wie es oben als »Harz A« beschrieben ist, oder vom Phenolharztyp, überzogen. Gewöhnlich wird das Klebemittel mit einem Löser oder Verdünner angewendet. Ein besonders geeignetes Klebemittel ist eine Lösung einer Styrol, Polyvinylacetat und einen Dipropylenglycolmaleat-adipatpolyester enthaltenden Mischung, die vorzugsweise einen Peroxydkatalysator enthält.
Werden die mit den imprägnierten und überzogenen Bändern isolierten eingebauten oder in die gewünschte Form gebogenen Leiter anschließend hitzebehandelt, so beginnen die Harze zu schmelzen, und benachbarte Schichten der Bandwicklung haften fest aneinander. Durch weitergehende Härtung und Vervollständigung der Kondensationsreaktion wird eine feste Bindung der benachbarten Schichten herbeigeführt. Die mit Harz überzogenen Windungen haben hohen Abrieb- und Wärmewiderstand.
Gemäß einer weiteren, aber nicht notwendigen Ausführungsform wird ein zweiter Überzug eines etwas verschiedenen Harzes auf die Oberfläche des Überzuges aus »Harz A« gebracht. Der zweite Harzüberzug unterscheidet sich von dem zuerst aufgebrachten Überzug dadurch, daß das Harz bis zum festen Zustand kondensiert und mikropulverisiert wurde. Dieses Harz wird als Pulver oder Staub auf das in Form einer Lösung aufgebrachte »Harz A« aufgebracht.
Dies zweite, äußerlich aufgebrachte Harz kann allgemein als teilkondensiertes festes Produkt aus einem sauren Polyester mit niederem Molekulargewicht, der freie Carboxylgruppen enthält, einem mehrwertigen Alkohol, beispielsweise Glycerin, und einer nicht polymerisierbaren Dicarbonsäure oder deren Anhydrid, beispielsweise Phthalsäure oder Phthalsäureanhydrid, miteinem komplexen Epoxydharz, das ein Polyätherabkömmling einer, organischen Polyoxyverbindung, beispielsweise eines mehrwertigen Alkohols oder Phenols mit Epoxygruppen ist, bezeichnet werden. Dieses feste Kondensationsprodukt sei kurz als »Harz B« bezeichnet.
Aneinanderstoßende Schichten des mit dem teilweise gehärteten »Harz A« überzogenen Bandes neigen, wenn keine besonderen Vorsichtsmaßregeln beachtet werden, dazu, aneinander oder auf den Vorratsrollen zu kleben; und beim Arbeiten auf der Wickelmaschine bereitet die Klebrigkeit gewisse Schwierigkeiten.
Das »Harz B« ist im teilkondensierten Zustand hart und brüchig und. kann mikropulverisiert werden. Das »Harz B« wird als Pulver angewendet und haftet auf der Oberfläche des vorher aufgebrachten »Harzes A«. Das »Harz B« verträgt sich mit dem »Harz A«, wenn der Streifen um einen Leiter gewickelt und danach Druck und Wärme ausgesetzt wird. Das »Harz B« hat einen Erweichungspunkt von etwa 13o° und haftet gut, wenn es erweicht oder geschmolzen ist. Der äußere Überzug von »Harz B « verhindert nicht nur unerwünschtes Kleben des Bandes auf der Vorratsrolle, sondern verbessert auch die Eigenschaften der gesamten Isolation, wenn sie auf den Leiter aufgebracht ist und an Ort und Stelle unter Hitze und Druck gehärtet wurde.
Fig. I zeigt stark vergrößert ein Stück eines rechteckigen Stückes Magnetdraht I, auf das überlappend ein gemäß obigen Angaben imprägniertes und überzogenes Band 2 gewickelt ist. Von dem Band 2 ist die Grundmatte aus imprägnierten anorganischen Fasern 3 mit dem Überzug 4 aus hitzehärtbarem Harz A« dargestellt. Punktiert ist die äußere Schicht 5 des gepulverten »Harzes B« angedeutet. Gegebenenfalls kann eine Mehrheit übereinander angeordneter Schichten um den Leiter gewickelt werden.
Der umhüllte Leiter, der von beliebigem Querschnitt, beispielsweise rund oder rechteckig sein kann, wird zur Verfestigung und Hitzeumwandlung der Harze A« und »B« in den unlöslichen und unschmelzbaren Zustand Druck und Wärme ausgesetzt. Im allgemeinen genügen je nach den Abmessungen des zu isolierenden Leiters 200.. . 250° und Drucke von 70 ... 21o g/cm2. Durch die gegebenenfalls wiederholte Druckwärmebehandlung werden die einzelnen Umhüllungen zu einem Ganzen vereinigt. Der erhaltene Überzug hat hohe dielektrische Festigkeit und kann unbegrenzt auf i5o° erwärmt werden. Er ist gleichmäßig dick, d. h. reicht zu dick, an einigen und zu dünn an anderen Stellen. Die geringe Dicke und Gleichmäßigkeit der Isolation gestattet die Herstellung von Windungen oder Spulen nach Fig.2 von kleinerem Ausmaß, so daß mehr Windungen auf bestimmtem Raum untergebracht werden können. Die Konstrukteure von elektrischen Vorrichtungen können nun mehr Kupfer, d. h. -mehr Leiter, pro Einheitsquerschnitt des Magneten oder der Spule unterbringen, und der Wirkungsgrad wird verbessert.
Fig. 2 veranschaulicht, welchen Biege- und Drehbean3pruchungen Magnetdrähte bei der Spulenfabrikation unterliegen. Wie ebenfalls aus Fig. a hervorgeht, werden die einzelnen Drähte gewöhnlich über die Schmalseite zur Herstellung einer Endwicklung gebogen, wie es bei 7 dargestellt ist, und nicht über die flache Seite. Durch diese scharfe Biegung wird die Isolation starken Beanspruchungen unterworfen, denen jedoch die Isolierungen gemäß der Erfindung widerstehen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Elektrische Isolierung aus mit harzartigem Material imprägniertem; biegsamem, faserförmigem, anorganischem Material, insbesondere für elektrische Leiter, dadurch gekennzeichnet, daß das harzartige Material aus einer ersten Imprägnierung aus einem polymerisierbaren Acrylsäureester, vorzugsweise einem Mischpolymerisat aus Acrylsäureäthyl-und -methylester, und einer zweiten Imprägnierung aus einer teilkondensierten Mischung aus einem Epoxygruppen enthaltenden Äthoxylinharz und einem sauren ungesättigten polymerisierbaren Polyester besteht.
2. Elektrische Isolierung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das Acrylatmischpolymerisat aus 5o bis 90% Äthylacrylat und 5o bis I0% Methylacrylat besteht.
3. Elektrische Isolierung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der saure ungesättigte Polyester ein Reaktionsprodukt aus einem zweiwertigen Alkohol und einer ungesättigten a-ß-Dicarbonsäure oder deren Anhydrid, vorzugsweise Maleinsäure ist.
4. Elektrische Isolierung nach Anspruch I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer weiteren äußeren Schicht aus einer teilkondensierten Mischung eines Epoxyharzes mit einem sauren, niedermolekularen Polyester überzogen ist und der saure Polyester das Reaktionsprodukt zwischen einem mehrwertigen Alkohol und einer nicht polymerisierbaren Dicarbonsäure oder deren Anhydrid ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 727 g42.