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Glimmerpapierisolation für elektrische Leiter Die Erfindung betrifft
Glimmerisolationen zum Isolieren elektrischer Leiter und Windungen elektrischer
Maschinen, insbesondere Glimmermaterial, z. B. erhitzte Schuppen von Glimmer, Glimmerpapier
oder Glimmerbänder, das imprägniert und überzogen ist mit einer Mischung aus a)
einem sauren Polyester, der freie Karbonylgruppen enthält und durch Umsetzung einer
Mischung von Glycerin und einer aliphatischen Dikarbonsäure oder deren Anhydrid
mit 5 bis Io Kohlenstoffatomen hergestellt wird, und b) einem komplexen Epoxydharz,
das einen Polyesterabkömmling einer organischen Polyoxyverbindung, beispielsweise
eines mehrwertigen Alkohols oder Phenols mit Epoxygruppen, enthält und nachstehend
kurz als Äthoxylinharz bezeichnet wird. Die Erfindung betrifft gleicherweise Wicklungen
elektrischer Maschinen, die mit derartigen Massen isoliert sind.
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Um einen hohen Füllfaktor und eine gute Isolation bei Wicklungen elektrischer
Maschinen, z. B. elektrischen Leitern, elektrischen Spulen u. dgl., zu
erzielen,
wurden bisher die zusammengefasten Windungen eines Leiters, die die Wicklung bilden,
mit einer zusammengesetzten Isolation aus Glimmerplättchen und einem Faserträger,
die mit einem harzartigen Bindemittel vereinigt wurden, umhüllt. Zur Herstellung
einer genügenden Isolation wurde eine vorbestimmte Dicke dieser Glimmerisolation
um die zusammengefasten Windungen der Wicklung gelegt.
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Damit die elektrische Isolation der Wicklungen, die aus Metallen,
wie Kupfer, Aluminium, Silber u. dgl., bestehen können, optimale Eigenschaften aufweist,
wurden die umhüllten Wicklungen mit einem Isolierlack imprägniert. Zur Imprägnierung
der umhüllten Wicklungen wurde im allgemeinen zunächst zur Entfernung von Feuchtigkeit,
Gasen und anderen schädlichen, flüchtigen Stoffen aus den Umhüllungen der elektrischen
Wicklung Vakuum angewendet, darauf schloß sich die Aufbringung des Lackes an, der
gewöhnlich ein polymerisierbares Harz oder ein asphaltischer oder bituminöser Binder
in einem flüchtigen Lösungsmittel war, gegebenenfalls häufig unter Druck, um ein
Eindringen in die innersten Hohlräume der Wicklung sicherzustellen. Wurde ein wärmeumwandelbares
Material als Imprägnierungs-und Überzugsmasse verwendet, so wurden die mit Lack
imprägnierten Wicklungen wärmebehandelt, um Reste von flüchtigen Lösungsmitteln
auszutreiben und um das Harz oder den Lack zu polymerisieren.
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Wurde nicht sehr sorgfältig gearbeitet, so waren die auf diese Weise
hergestellten Wicklungen von elektrischen Maschinen nur unvollständig mit dem isolierenden
Harz imprägniert, so das Gastaschen zurückblieben, die ein ständiges Anwachsen des
Leistungsfaktors mit steigender Spannung bewirkten. Sind die elektrischen Wicklungen
vollständig mit dem Harz imprägniert, so wird die Änderung des Leistungsfaktors
mit der Spannungsänderung durch die charakteristischen Eigenschaften des Harzes
mehr beeinflußt, als es durch die Hohlräume geschieht.
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Selbst bei Anwendung sogenannter lösungsmittelfreier oder vollständig
polymerisierbarer Lacke hat sich ergeben, das das harzartige Bindemittel, welches
die Glimmerplättchen und die Faserschicht, die um die elektrische Wicklung herumgelegt
wird, verbindet, nicht vollständig eindringen kann. Bei Verwendung zusammengesetzter
Bänder mit oder ohne Harzbindemittel ist die Hauptschwierigkeit bei der Lacktränkung
der Isolation elektrischer Wicklungen auf die Gegenwart des harzartigen Bindemittels
in der fertigen Isolation, die sich an der Außenseite der Wicklungen befindet, zurückzuführen.
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Von großem Einfluß bei der Herstellung isolierter elektrischer Wicklungen,
bei denen sich die oben geschilderten Schwierigkeiten zeigen, ist das allgemein
angewendete Verfahren der Herstellung elektrisch isolierter Wicklungen, die in Nuten
dynamoelektrischer Maschinen eingelegt werden. Das Isolierungsverfahren für derartige
Wicklungen ist gegenwärtig ziemlich verwickelt. Zum Beispiel werden Wicklungen für
große dynamoelektrische Maschinen mit einer Isolation versehen, die aus Glimmmerschuppen
mit einem blattförmigen Untergrund, beispielsweise aus Cellulosepapier, Glasfasergewebe,
Asbestpapier oder -gewebe u. dgl., verbunden mit einem harzartigen Bindemittel,
wie einem Asphaltlack, besteht. Die Windungen werden überlappend gewickelt, so das
mehrere Umhüllungen oder Schichten des Glimmerbandes auf dem Stab liegen. Die Haftung
der Bänder untereinander und an den Stäben wird durch eine asphaltische Lösung bewirkt,
die auf die elektrische Wicklung vor der ersten Umhüllung und danach auf jede Umhüllung
aufgebracht wird. Ein verlorenes Schutzband, z. B. aus Baumwolltuch, wird um die
isolierte Wicklung gelegt und die gesamte Wicklung in einen Tank getaucht, der unter
Vakuum gesetzt werden kann, um den größten Teil des Lösungsmittels zu entfernen.
Dann wird geschmolzener Asphalt bei erhöhter Temperatur unter Druck von etwa 7 kg/cm'
in genügender Menge in den Tank eingebracht, um den umhüllten Stab zu bedecken.
Danach wird der Stab aus dem Tank genommen und der gehärtete Asphalt und der verlorene
Schutzstreifen abgezogen. Dieses Spiel von Umhüllung, Einbringung in den Tank, Evakuierung,
Erhitzung unter Druck, Anwendung des Bitumens oder Asphalts, Entfernung aus dem
Tank und Abstreifen kann mehrfach wiederholt werden, um die gewünschten Ergebnisse
zu erzielen. Im allgemeinen hängt die Anzahl der Behandlungen von der Spannung ab,
der die Wicklungen ausgesetzt werden. Je größer -die Spannung ist, um so höher muß
die Anzahl der Behandlungen sein.
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Nach dem letzten Behandlungszyklus sind die Wicklungen genügend isoliert,
um in elektrischen Maschinen, wie z. B. Motoren, Generatoren u. dgl., verwendet
zu werden. Jede Wicklung und jeder Behandlungszyklus beanspruchen etwa 2o Stunden
und bedeuten damit Zeitverlust und hohe Kosten bei der Herstellung isolierter elektrischer
Wicklungen, insbesondere für dynamoelektrische Maschinen, wie für Ankerwicklungen
von Turbinengeneratoren.
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Die Erfindung betrifft die Herstellung einer Glimmerisolation zur
Isolierung verschiedener Arten von Windungen oder Leitungen von dynamoelektrischen
Maschinen. Weiterhin betrifft die Erfindung die Isolation elektrischer Maschinenwicklungen,
z. B. Ankerwicklungen, wie sie zur Herstellung von Turbinengeneratoren dienen, die
infolge der verbesserten Isolation mit erhöhter Wirkung und schneller aufgebracht
werden können. Weiterhin betrifft die Erfindung die Isolation von Ankerwicklungen,
um den zahlreichen Schwierigkeiten zu begegnen, die den bisherigen Verfahren zur
Herstellung derartiger Wicklungen innewohnen. Schließlich betrifft die Erfindung
eine verbesserte Bauart für elektrische Vorrichtungen, insbesondere bei der Nutenisolation
elektrischer Maschinen.
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Es wurde nun gefunden, das die oben angegebenen Forderungen erfüllt
und die bei der Herstellung isolierter elektrischer Wicklungen durch die bekannten
Verfahren auftretenden Schwierigkeiten behoben werden können, unter Erzielung verschiedener
anderer Vorteile, wenn ein Glimmermaterial verwendet wird, das mit einer spezifischen
Kombination von Harzen als Isolation für verschiedene elektrische Maschinenwicklungen,
insbesondere für die Nutenteilisolation
von Ankerhalbwicklungen,
versehen wird. Gemäß der Erfindung wird ein Glimmermaterial verwendet (unter dem
Blätter oder Bänder aus Papier oder Gewebe mit aufgebackenen Glimmerschuppen ebenso
wie Glimmerpapier in Blatt- oder Bandform mit oder ohne Verstärkung zu verstehen
ist), das mit einer Mischung imprägniert oder überzogen ist aus a) einem freie Karboxylgruppen
enthaltenden sauren Polyester, erhalten durch Umsetzung einer Mischung von Glycerin
mit einer aliphatischen Dikarbonsäure oder deren Anhydrid mit 5 bis Io Kohlenstoffatomen,
und b) einem komplexen Epoxyharz, das einen Polyätherabkömmling einer organischen
Polyoxyverbindung mit Epoxygruppen enthält.
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Die Verwendung eines solchen Glimmermaterials für die Isolation elektrischer
Wicklungen bietet mancherlei Vorteile und Verbesserungen gegenüber den alten Verfahren.
Einmal ist diese Kombination von Harzen bei 8o° oder niedrigeren Temperaturen biegsam,
ohne ihre Zähigkeit bei höheren Temperaturen zu verlieren, so daß es möglich ist,
eine mit dem Glimmermaterial isolierte und mit dem Harz imprägnierte Spule zu biegen
und in die Ankernuten einzulegen. Da Äthoxylinharze bei niedrigen Temperaturen brüchig
und bei höheren Temperaturen von geringer Festigkeit sind, ist die Auswahl des geeigneten
Polyesters von großer Bedeutung. Zum anderen kann das behandelte und imprägnierte
Glimmermaterial in einer verhältnismäßig trockenen Form angewendet werden, während
das Aufbringen und Verkleben der Glimmerbänder auf Ankerstäbe nach der alten Methode
mit beispielsweise Bitumen- oder Asphaltlösungen schwierig durchzuführen war. Weiterhin
mußten die bisher angewendeten Glimmerbänder in luftdichten Behältern aufbewahrt
werden, um eine unerwünschte Verdampfung des Lösungsmittels zu verhindern, das für
die Aufrechterhaltung der Biegsamkeit des Bandes und seine Wicklungsfähigkeit erforderlich
war. Demgegenüber enthält die gemäß der Erfindung vorzugsweise verwendete Harzmischung
bei der Anwendung mit dem Glimmermaterial wenig oder kein Restlösungsmittel und
ist für sich biegsam, ohne daß zusätzliche Mittel dafür erforderlich wären. Weiterhin
genügt zur Isolation von Ankerstäben bei Verwendung des Glimmermaterials gemäß der
Erfindung eine einzige Lage Isolierstoff. Demgemäß erfordert der gesamte Verfahrenszyklus
nur 12 bis 16 Stunden, während nach den bisher bekannten Methoden eine mehrfache
Lage des Glimmerbandes verwendet werden mußte, wodurch die mehrfachen Zeiten erforderlich
waren.
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Die Isolation unter Verwendung der bisher bekannten Glimmerbänder
ist thermoplastisch und wird bei erhöhten Temperaturen weich, so daß ihre Anwendung
bei erhöhten Temperaturen merklich eingeschränkt ist. Demgegenüber können die imprägnierten
und überzogenen Glimmermaterialien gemäß der Erfindung ausgehärtet werden und haben
bei erhöhten Temperaturen kaum einen Fluß und arbeiten für lange Zeiten befriedigend
bei Temperaturen über I25°. Das hitzegehärtete Material ist bis I25° zäh. Schließlich
sind die elektrischen Eigenschaften des mit der Harzmischung gemäß der Erfindung
überzogenen, imprägnierten Glimmermaterials besser als die der meisten bekannten
Isoliermaterialien. Beispielsweise haben Wicklungen, die mit einem so behandelten
Glimmermaterial isoliert worden sind, hohe dielektrische Festigkeit. Die Tatsache,
daß das zur Isolation verwendete Harz bei Arbeitstemperatur von etwa 9o° eine hohe
Dielektrizitätskonstante hat, bedeutet, daß die dielektrische Spannung auf die Isolation
nicht zu einem großen Teil vom Harz aufgenommen wird. Dies ist ein bedeutender Vorteil,
da die meisten organischen harzartigen Isolationen Dielektrizitätskonstanten haben,
die niedriger als die von Glimmer sind, und damit bei der Verwendung mit Glimmer
einen unverhältnismäßig großen Anteil der Spannungsbeanspruchung aufnehmen. Schließlich
haben die gemäß der Erfindung isolierten Wicklungen bei allen Arbeitstemperaturen
niedrigere Leistungsfaktoren als elektrische Wicklungen, die mit den Glimmer-Asphalt-Bändern
bekannter Art isoliert worden sind. Weitere Vorteile der Glimmerisolation sind aus
den weiter unten beschriebenen Beispielen zu ersehen.
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Die Äthoxylinharze, die gemäß der Erfindung verwendet werden, sind
komplexe Epoxydharze aus einem Polyätherabkömmling einer organischen Polyoxyverbindung
mit Epoxygruppen und sind bereits verschiedentlich beschrieben, so z. B. in den
USA.-Patentschriften 2 324 483 und 2 444 333 und in den britischen Patentschriften
5I8 057 und 579 698. Meist sind diese Äthoxylinharze Reaktionsprodukte aus einem
Epihalogenhydrin, z. B. Epichlorhydrin, und einem Phenol mit wenigstens zwei phenolischen
Oxygruppen, beispielsweise Bis-(4-oxyphenyl)-dimethylmethan. In den USA.-Patentschriften
2 494 295, 2 5oo 6oo und 2 511 9I3 sind andere Beispiele von Äthoxylinharzen beschrieben,
die für die Durchführung der Erfindung verwendet werden können. Nachstehend wird
von diesen Äthoxylinharzen lediglich gesagt, daß sie mehr als eine, z. B. ein bis
zwei oder mehr Epoxygruppen je Molekül enthalten und durch Umsetzung eines mehrwertigen
Alkohols oder Phenols, beispielsweise von Phenolabkömmlingen, Hydrochinon, Resorzin,
Glycerin, und Kondensationsprodukten von Phenolen mit Ketonen, z. B. Bis-(4-oxyphenyl)-2,2-propan,
mit Epichlorhydrin gebildet werden. Die Umsetzung von Epichlorhydrin mit Bis-(4-oxyphenyl)-2,2-propan
kann beispielsweise folgendermaßen formuliert werden
In der Formel hat n einen mittleren Wert zwischen o und 7. Eine Reihe dieser Äthoxylinharze
wird von der Shell Chemical Corporation unter dem Handelsnamen »Epon« und von der
CIBA unter dem Handelsnamen »Araldite« verkauft. Die Eigenschaften der Eponharze
sind in der Tabelle I enthalten.
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Äquivalent
8
4 90 0 192 105 0 4 14o-i65 9 1004 1
0
1 1
400 4000 0 1
4
4 0
| Tabelle I |
| p p y - Mittleres |
| Veresterungs- Sp. ° C |
| Nr. |
| äquivalent |
| RN-34 225-29o Io5 20-2 |
| RN-48 I92 8o 9 |
| Io64 300-375 Io5 4o-45 |
| 1o62 I40-I65 flüssig |
| 9o5-985 |
| 75 97-Io3 |
| 1007 I6oo-I9oo I9o |
| 27-133 |
| Ioo9 24oo-4ooo 20 |
| 45-155 |
| I00I 450-525 I3o 64-76 |
| E E |
| von |
| 250, |
| H |
Die mit den sauren Polyestern verwendeten komplexen Epoxyde enthalten Epoxyd- oder
Epoxyd-und Hydroxylgruppen als einzige funktionelle Gruppen und sind im allgemeinen
frei von anderen funktionellen Gruppen, wie basischen oder sauren Gruppen.
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Zur Herstellung der mit den Äthoxylinharzen zu verwendenden stark
sauren, nicht polymerisierbaren Polyestern niederem Molekulargewicht können verschiedene
Methoden angewendet werden. Damit stark saure Polyester erhalten werden, ist es
wesentlich, daß die Dikarbonsäure oder deren Anhydrid im Überschuß zum Glycerin
angewendet wird. Vorteilhafterweisewerden auf jedes Mol Glycerin 2,2 bis 3, vorzugsweise
2,5 bis 3 Mol Dikarbonsäure, beispielsweise Adipinsäure, angewendet.
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Für viele Anwendungen ist es zweckmäßig, daß die Säurezahl der Polyester
bei der Herstellung über vorzugsweise über 300, liegt. Derartige Polyester werden
generell durch I- bis 3- oder mehrstündiges Erhitzen einer Mischung aus Glycerin
und der spezifischen Dikarbonsäure oder deren Anhydrid (sofern es 549 ein solches
gibt) in geeigneten molaren Verhältnissen auf 15o bis 25o° hergestellt. Die Reaktion
wird zweckmäßig solange durchgeführt, bis die Säurezahl im gewünschten Bereich liegt
und die meisten Hydroxylgruppen verestert sind, so daß ein stark saurer Polyester
von niederem Molekulargewicht, der mit dem Äthoxylinharz verwendet werden kann,
erhalten worden ist. Die weiter unten folgenden Beispiele veranschaulichen, wie
die sauren Polyester hergestellt werden, und der Fachmann wird keine Schwierigkeiten
haben, das jeweils beste Verfahren zur Herstellung dieser sauren Polyester anzuwenden.
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Zur Herstellung der sauren Polyester können außer der bereits obengenannten
Adipinsäure auch andere aliphatische Dikarbonsäuren oder deren Anhydride mit 5 bis
Io Kohlenstoffatomen verwendet werden, wie z. B. Glutarsäure, Pimelinsäure, Korksäure,
Sebazinsäure u. dgl. Die Verwendung von Dikarbonsäuren allein oder von Polyestern
aus anderen zweibasischen Säuren, wie beispielsweise aromatischen Säuren, ergibt
beim Mischen mit Äthoxylinharzen und bei der Verwendung als Behandlungsmittel für
Glimmermaterial unbefriedigende Ergebnisse, und sie können in zahlreichen Fällen
nicht verwendet werden, in denen die gemäß der Erfindung imprägnierten Materialien
geeignet sind. Die Verwendung von zweiwertigen Alkoholen an Stelle von Glycerin
ist ebenfalls . unzweckmäßig wegen der ungenügenden elektrischen Eigenschaften bei
erhöhten Temperaturen.
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Es sei vermerkt, daß die gewöhnlichen Alkydharze nicht umgesetzte
Hydroxylgruppen in Konzentrationen aufweisen, die etwa gleich der Konzentration
an nicht umgesetzten Karboxylgruppen ist, während die sauren Polyester gemäß der
Erfindung überschüssige Karboxylgruppen enthalten. Da diese Polyester vollständig
umgesetzt werden, sind nur wenige Hydroxylgruppen, wenn überhaupt, nicht umgesetzt.
Die überschüssigen Karboxylgruppen werden zwar nicht umgesetzt, sind aber an die
Polyestermoleküle gebunden. Wegen des Überschusses an Karboxylgruppen über die äquivalente
Menge, bei der Bildung der sauren Polyester, haben die Polyester im allgemeinen
eine beträchtlich höhere Azidität als die gewöhnlichen Alkydharze, d. h. eine höhere
Säurezahl oder niedrigere Säureäquivalentgewichte.
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Das bereits früher erwähnte Glimmerpapier, das mit der Harzmischung
zur Anwendung gelangt, ist in der USA.-Patentschrift 2 $8o beschrieben, auf die
besonders verwiesen wird. Der Glimmer oder die anderen entsprechenden Materialien
werden auf Temperaturen erhitzt, die zur Spaltung ausreichen, aber unter der kritischen
Temperatur für die Gesamtentwässerung liegen. Nachdem das Material bei erhöhten
Temperaturen, z. B. bei 800°, in
Plättchen aufgespalten worden ist,
werden die aufgespaltenen Plättchen so schnell als möglich, bevor wesentliche Abkühlung
eingetreten ist, in eine gesättigte Lösung, beispielsweise aus Soda oder Natriumbikarbonat,
geworfen. Nach der Abkühlung wird der Glimmer aus der Lösung herausgenommen, abtropfen
gelassen und in eine 5% ige Chlorwasserstoffsäurelösung getaucht. In dieser Lösung
verbleiben die Glimmerplättchen etwa I Stunde, und die Suspension der Plättchen
in der Lösung wird kräftig gerührt. Danach werden die Plättchen durch Dekantation
gewaschen. Anschließend werden die Glimmerplättchen in Wasser suspendiert, etwa
wie Papierbrei in Wasser, und die Glimmerplättchensuspension, entsprechend wie Suspensionen
von Cellulosefasern, mit oder ohne Zusätze auf großen Sieben behandelt, wie Papier-
oder Kartonbogen.
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Das Glimmerpapier wird dann mit der Mischung aus saurem Polyester
und Äthoxylinharz, vorzugsweise in gelöster Form, überzogen und imprägniert. Das
behandelte Papier kann dann durch einen Ofen zur Entfernung des Lösungsmittels geführt
und danach aufgerollt werden. Gegebenenfalls wird das Glimmerpapier zugeschnitten,
z. B. in Streifen von 12,7 bis 31,8 mm, wie sie zum Wickeln für Isolationszwecke
benötigt werden. Das breitere Band wird beispielsweise zur Isolation des Hauptteiles
von Rotor- oder Statorstäben verwendet, während die schmaleren Bänder um die Endwicklungen
gelegt werden.
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Obwohl das mit der Harzmischung imprägnierte Glimmerpapier genügende
Festigkeit zum Wickeln und Isolieren aufweist, ist es für gewisse Anwendungszwecke
vorteilhaft, es mit einem Cellulosepapier zu verstärken, das Glasfasern enthält,
die in Längsrichtung an der Oberfläche des Papiers angeordnet sind. Dieses Cellulosepapier
wird vorzugsweise gleichzeitig mit dem Glimmerpapier durch die Mischung von saurem
Polyester und Äthoxylinharz und dann außerhalb des Tränktankes zusammen mit dem
überzogenen und imprägnierten Glimmerpapier durch einen Ofen geführt, um den Hauptanteil
des Lösungsmittels zu entfernen und um das Cellulosepapier in engen Kontakt mit
dem Glimmerpapier zu bringen. Danach wird dieses gegebenenfalls durch Quetschrollen
geleitet, um eine weitere Verfestigung des Cellulosepapier-Glimmerpapier-Verbandes
herbeizuführen, der für sich oder in Streifen geschnitten für Isolationszwecke verwendbar
ist. Während die Verbundisolation gemäß der Erfindung insbesondere mit Bezug auf
Glimmerpapier beschrieben wurde, so umfaßt der Ausdruck Glimmermaterial doch auch
entsprechende andere Glimmerisolationen, insbesondere Glimmerplättchen, die auf
einem faserigen Material, wie z. B. Papier, Battist, Glasfasergewebe, Asbestgewebe
u. dgl., aufgebracht sind.
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In diesen Fällen wird ein Bogen aus Papier oder Gewebe mit einem Isolierlack,
beispielswesie aus der Mischung von Äthoxylinharz und saurem Polyester, imprägniert
und mit Glimmerplättchen von Hand oder mit einer Glimmerbelegungsmaschine überlappend
belegt. Nach dem Auflegen der Glimmerplättchen wird gewöhnlich die Oberfläche der
überlappenden Glimmerplättchen nochmals mit einem Isolierlack, gegebenenfalls einer
Mischung aus saurem Polyester und Äthoxylinharz, versehen und darauf gegebenenfalls
eine Deckschicht angeordnet. Dieser Verbund kann aufgerollt oder in Streifen verschiedener
Breite geschnitten und ebenfalls aufgerollt werden. Derartige Glimmerbänder brauchen
zur Isolierung von Statorstäben nur um die Windungen der elektrischen Maschine herumgelegt
zu werden, ohne Verwendung eines Bindemittels mit den damit verbundenen zahlreichen
Arbeitsgängen, und können dann unter Druck zur Herstellung einer kompakten Isolation
mit verbesserten elektrischen Eigenschaften wärmebehandelt werden.
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Obwohl die Verhältnisse von saurem Polyester zu Äthoxylinharz je nach
der beabsichtigten Anwendung, der Art des Polyesters, der Art des Äthoxylinharzes
u. dgl. schwanken können, wird der saure Polyester vorzugsweise in Mengen von 5
bis 7o % des Gesamtgewichtes a-n Äthoxylinharz und saurem Polyester angewendet.
Gute Ergebnisse werden erhalten, wenn Polyester und Äthoxylinharz in solchen Verhältnissen
angewendet werden, daß in der Mischung etwa o,8 bis 1,2 Polyestersäureäquivalente
auf jedes Epoxydäquivalent kommen. Die besten Ergebnisse, vor allem bei der Imprägnierung
von Glimmerpapier, werden erzielt, wenn nur etwas weniger als die stöchiometrische
Menge an saurem Polyester, beispielsweise saurem Adipinsäureglycerinester, verwendet
wird.
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Die Art, in der saurer Polyester und Äthoxylinharz angewendet werden,
kann ebenfalls verschieden sein. Im allgemeinen ist es vorteilhaft, jedes der Harze
in einem üblichen Lösungsmittel, beispielsweise Aceton, Mischungen von Isopropanol
und Toluol, aufzulösen und Lösungen von verschiedenem Harzgehalt, vorzugsweise mit
Io bis 5o % Feststoffgehalt, herzustellen.
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Die Mischungen von saurem Polyester und Äthoxylinharz brauchen aber
nicht in nicht umgesetzter Form angewendet zu werden, sondern können auch als Teilkondensationsprodukte,
vorzugsweise in einem niedrigen Stadium der Interkondensation der beiden Materialien,
angewendet werden, die sich ebenfalls in Lösungen zur Behandlung des Glimmermaterials
überführen lassen. Durch anschließende Wärmebehandlung der isolierten Gegenstände
wird Aushärtung der teilkondensierten Reaktionsprodukte in den unschmelzbaren und
unlöslichen Zustand herbeigeführt. Zur Herstellung der Teilkondensationsprodukte
wird das Polyesterharz zweckmäßig bis zum Flüssigwerden angewärmt und das ebenso
erhitzte und verflüssigte Äthoxylinharz zugegeben und die Mischung unter Rühren
erhitzt, bis sie homogen geworden ist. Die Anfangserhitzung kann bis auf 8o und
15o° oder höher bis zu 2oo° erfolgen.
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Zur Veranschaulichung der Erfindung werden die nachstehenden Beispiele,
die aber nicht einschränkend sein sollen, gegeben. Alle Teilangaben sind Gewichtsteile.
Beispiel z Ein saurer Adipinsäure-Glycerin-Polyester wird durch 2stündiges Erhitzen
von q.38 Teilen (3M01)
Adipinsäure und 92,1 Teilen (I Mol) Glycerin
unter Rühren bei I9o bis 2Io° hergestellt. Der erhaltene saure Polyester hat eine
Säurezahl von 390 und wird mit einem Äthoxylinharz, insbesondere Epon Ioo4,
vermischt und in Aceton zu einer 2o % Harzfeststoffe enthaltenden Lösung aufgelöst,
in der der saure Polyester 2o Gewichtsprozent der Gesamtharzmenge aus saurem Polyester
und Äthoxylinharz ausmacht. Dann wird Glimmerpapier, wie es z. B. nach der USA.-Patentschrift
2 549 88o hergestellt wurde, dreimal mit der Lösung überzogen und jeweils 2 Stunden
zwischen jedem Überzug an der Luft getrocknet. Das erhaltene Glimmerpapier hat einen
Gehalt an Harzen von 320/, und 30/, flüchtigen Bestandteilen und wird
in Streifen geschnitten, die zur Isolierung eines Teiles einer elektrischen Windung,
insbesondere eines Statorstabes, durch Umwicklung des Stabes in halbüberlappender
Weise verwendet werden. Der umwickelte Statorstab enthält I7 halbüberlappende Lagen,
wird mit einem Glasgewebeband geschützt, in einen Drucktank getan, 6 Stunden bei
6o° evakuiert, und danach wird geschmolzenes Bitumen unter Druck in den Tank geleitet.
Die Temperatur wird auf I5o° und der Druck auf 7 kg/cm2 im Tank gehalten. Diese
Behandlung wird 6 Stunden durchgeführt, um Interkondensation zwischen dem Äthoxylinharz
und dem sauren Adipinsäureglycerinharz einzuleiten und die Harzisolation in den
unschmelzbaren und unlöslichen Zustand überzuführen. Durch diese Behandlung wird
die Isolation um den Statorstab zu einer kompakten Masse geformt und komprimiert.
Nach der angegebenen Zeit wird der Stab aus dem Asphaltbad entfernt, abgekühlt,
der überschüssige Asphalt und das verlorene Schutzband entfernt und ein Statorstab
mit ausgezeichneten dielektrischen Fähigkeiten erhalten. Die Isolation an der Außenseite
des Stabes ist zäh und kompakt. Die elektrischen Eigenschaften der Isolation sind
wesentlich besser als die elektrischen Eigenschaften der bisher zum Umhüllen von
Statorstäben verwendeten gebackenen Glimmerblättchen, die mit einem bituminösen
oder asphaltischen Bindemittel verklebt wurden. Elektrische Maschinen, in denen
auf diese Weise isolierte Windungen verwendet werden, haben den zusätzlichen Vorteil,
daß sie bei höheren Temperaturen betrieben werden können als die elektrischen Maschinen,
bei denen Isolationen auf Asphaltbasis angewendet worden sind.
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In der Zeichnung ist in perspektivischer Ansicht ein Querschnitt durch
eine Windung einer elektrischen Maschine, insbesondere eine Rotorwicklung für eine
dynamoelektrische Maschine mit einer gemäß der Erfindung aus imprägniertem Papier
bestehenden Isolation dargestellt. Die Wicklung besteht aus einer Mehrzahl von Leitern
I, die voneinander durch eine Wicklungsisolation 2 isoliert sind. Wenn jeder Leiter
i ein einzelner Draht oder Streifen aus Kupfer ist, so kann die Isolation aus einem
Überzug aus Harz, wie Schellack oder Asphaltlack für sich oder in Kombination mit
einer Umhüllung aus Glasfaser, Asbest od. dgl. oder einer anderen Isolation, bestehen.
Unbehandelte Glasfasern oder andere anorganische Stoffe genügen häufig nicht. Um
die Läuferstäbe ist eine Mehrzahl von überlappenden Lagen von Glimmerpapier 3 gelegt,
das mit der Mischung aus saurem Polyester und Äthoxylinharz imprägniert ist. Der
gesamte Verbund wird mit einem Schutzband gedeckt, das auf dem isolierten Band nicht
kleben soll und die isolierten Windungen schützt, wenn der Verbund in einen Tank
getaucht wird, in den unter Druck ein Druck- oder Heizmittel, z. B. Bitumen oder
ein anderes Material, eingeführt wird. Gegebenenfalls kann auch eine mechanische
Verformung der isolierten Windungen erfolgen. Nach der Behandlung im Drucktank werden
die Windungen entnommen und das Schutzband sowie der anhaftende Asphalt von der
äußeren Isolation der Windung abgezogen. Beispiel 2 In ein Lösungsmittel, bestehend
aus einer 5o: 5o Gewichtsteile enthaltenden Mischung aus Isopropanol und Toluol,
wird eine Mischung aus den Äthoxylinharzen Epon Io64 und Epon IooI in gleichen Gewichtsteilen,
gemischt mit dem Adipinsäureglycerinpolyester gemäß Beispiel i, aufgelöst, so daß
der Harzfeststoffgehalt der Lösung 25 % der Adipinsäureglycerinpolyester I8 Gewichtsprozent
und die Äthoxylinharzmischung 82 Gewichtsprozent des Harzes ausmacht. Diese Lösung
wird in einen Tauchtank gegeben und Glimmerpapier, gleichzeitig mit dünnem (0,0254
mm dickem) Cellulosepapier, das Glasfasern in Laufrichtung enthält, durchgezogen
und danach durch einen Ofen zur Entfernung der flüchtigen Lösungsmittel geleitet.
Danach werden die beiden Papiere, die bereits gut aneinanderhaften und praktisch
nicht klebrig sind, durch Quetschrollen geleitet, um Blasen zu entfernen und das
Cellulosepapier in noch engeren Kontakt mit dem Glimmerpapier zu bringen. Das auf
diese Weise erhaltene Papier wird zum Umwickeln von Ankerstäben mit einem Querschnitt
von 5o,8 x I8,8 mm und einer Länge von 914 cm verwendet, die aus 40 isolierten übereinandergeschichteten
Kupferstreifen bestehen. Das Verbundpapier aus Cellulose- und Glimmerpapierschichten,
welches o,178 mm dick ist, wird in Streifen von 31,7 mm geschnitten. Das Papier
enthält etwa 3o bis 32 °/p Harz. Für die vorliegenden Zwecke ist es wünschenswert,
daß der Gehalt de3 Papiers oder Bandes an flüchtigen Stoffen zur Erzielung optimaler
Ergebnisse bei der Isolation der verschiedensten Windungen unter 10/, liegt. Dieses
Band wird zum Umwickeln des Statorstabes in halbüberlappender Form verwendet, so
daß 17 halbüberlappende Schichten vorhanden sind und 34 übereinanderliegende Schichten
aufgebracht werden. Der verwendete Statorstab besteht aus einer Reihe von übereinander
angeordneten Kupferbändern, die voneinander durch eine Isolation aus Asbest mit
einem organischen Bindemittel isoliert sind. Die umwickelte Statorwicklung bzw.
der Statorstab wird dann mit einem Schutzband aus Glasgewebe umhüllt und in einen
Tank entsprechend dem im Beispiel i beschriebenen eingetaucht. Der Tank wird 6 Stunden
bei 6o° evakuiert. Danach wird geschmolzenes Bitumen unter Druck in den Tank geleitet,
so daß
der Druck im Tank etwa 7 kg/cm2 beträgt. Die Tanktemperatur
wird 6 bis 8 Stunden auf I5o° gehalten. Der gepreßte Statorstab wird aus dem Bad
genommen und das anhaftende Bitumen und das Schutzband von der Oberfläche abgenommen.
Es wird ein Statorstab erhalten, in dem die harzigen Teile der Isolation ausgehärtet
und praktisch unschmelzbar und unlöslich sind. Die Isolationsdicke des Statorstabes
beträgt etwa 4,57 mm. Dieser Statorstab wird auf dielektrische Festigkeit und prozentualen
Leistungsfaktor bei verschiedenen Temperaturen geprüft. Die Ergebnisse sind in der
nachfolgenden Tabelle niedergelegt. Zum Vergleich wird ein isolierter Stab (Isolationsdicke
4,57 mm) geprüft, dessen Isolation unter Verwendung eines Bitumenbinders hergestellt
worden ist. Die dielektrische Festigkeit wird mit in Minutenabständen steigender
Spannungsbeanspruchung gemessen.
| Tabelle 2 |
| Gebackene Isolation aus Glimmerplättchen |
| und Bitumenbinder |
| Temperatur % Leistungsfaktor |
| °C 5 kV Io kV I5 kV 2o kV |
| 25 2,85 2,92 2,97 3,03 |
| 75 7,32 7,34 7,35 7,39 |
| Ioo I5,5 15,6 I6,o 16,4 |
| Dielektrische Festigkeit -- I7 ooo V/mm |
| Tabelle 3 |
| % Leistungsfaktor Dielektrische Festigkeit; |
| Zusammensetzung minütlich ansteigende Spannung*) |
| 25° 75° I25° V/mm |
| 8o % Epon I004 |
| 20% Polyester..................... I,5 7,5 I8,2 I8 2oo |
| 9o % Epon I004 |
| Io% Polyester..................... I,I 4,2 5,I I6 750 |
| 87% Epon I004 |
| I3% Polyester..................... I,3 4,4 7,8 I8 300 |
| 95 % Epon 1004**) |
| 5 % Polyester..................... I,I 4,05 27,0 |
| - |
| 93 % Epon I007 |
| 7 % Polyester..................... 0,95 2,2 5,4 I7720 |
| 7I % Epon Io64 |
| 29% Polyester..................... 2,2 I 9,3 30,0 I5500 |
| 66 0/0 RN-34 |
| 34% Polyester..................... 2,5 I2,0 50,0 I5300 |
| *) Quadratischer Mittelwert. |
| **) I5 Stunden bei I5o° ausgehärtet. |
Beispiel 4 Schichtplatten aus Glimmerpapier, das mit Mischungen verschiedener Athoxylinharze
und den im Beispiel I beschriebenen Adipinsäureglycerinpolyestern
| Glimmerpapier-Adipinsäureglycerin-Äthoxylinharz |
| Temperatur % Leistungsfaktor |
| °C 5 kV Io kV I5 KV 2o kV |
| 25 0,95 0,97 I,oI I,05 |
| 75 3,o8 3,I0 3,I3 3,I6 |
| Ioo 7,3 7,4 7,4 7,6 |
| I25 15,8 16,2 16,5 16,8 |
| Dielektrische Festigkeit - 27 8oo V/mm |
Beispiel 3 In diesem Beispiel wird die Einwirkung verschiedener Verhältnisse von
Äthoxylinharz zu saurem Polyester auf die elektrischen Eigenschaften veranschaulicht.
Der gemäß Beispiel I hergestellte Adipinsäureglycerinpolyester wird mit den in Tabelle
3 genannten Äthoxylinharzen in den angegebenen Verhältnissen gemischt und die Mischung
in Form von runden Plättchen von 2,54 mm Dicke und 152,4 mm Durchmesser 5 Minuten
auf I5o° erhitzt. Die Prüfung der Proben ergibt untenstehende Ergebnisse.
-
Aus der Tabelle 3 ist ersichtlich, daß die flüssigeren Äthoxylinharze
mit niedrigerem Molukargewicht etwas höhere Leistungsfaktoren ergeben. Weiterhin
ist ersichtlich, daß die Anwendung größerer Mengen Polyester als stöchiometrischer
Mengen höhere Leistungsfaktoren ergibt, als wenn nur stöchiometrische oder weniger
als die stöchiometrischen Mengen verwendet werden. imprägniert ist, werden folgendermaßen
hergestellt Glimmerpapierbogen werden mit einer acetonischen Lösung der Mischung
aus Adipinsäureglycerinpolyester und verschiedenen, in Tabelle 4 beschriebenen Äthoxylinharzen
imprägniert. Die Bogen werden
übereinandergelegt, in einem Ofen
getrocknet und dann 5 Stunden unter einem Druck von 7 kg/cm2 auf I5o° erhitzt. Die
auf diese Weise erzeugten Schichtstoffe sind zäh, und die einzelnen Schichten haften
ausgezeichnet aneinander. Werden sie mit
| Tabelle 4 |
| Dicke des % Leistungsfaktor Dielektrische Festigkeit; |
| Harzzusammensetzung Schichtstoffes bei 6o Perioden minütlich
ansteigende Spannung |
| in mm 25° 75° I25° V/mm |
| 87 % Epon I004 |
| I3 % Polyester ............ 0,7I0 2,I 4,2 9,I 63700 |
| 71 % Epon Io64 |
| 29% Polyester ............ 0,635 2,5 I3,2 20,0 65400 |
| 66 % RN-34 |
| 34% Polyester ............ o,66o 3,4 I4,5 2I,4 59000 |
o,762 mm dicke, ausgehärtete Platten, hergestellt nach obiger Anweisung unter Verwendung
einer Mischung von I3 % Adipinsäureglycerinpolyester und 870/, Eponharz I004, werden
500 Stunden einer Spannungsbeanspruchung von I6 720 V/mm unter intensiver Koronaentladung
unterworfen, ohne daß Durchschlag oder merkliche Zerstörung erfolgt.
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Die gehärtete, d. h. praktisch unlösliche und unschmelzbare Mischung
aus 87 % Eponharz I004 und 13 % Adipinsäureglycerinpölyester zeigt bei erhöhten
Temperaturen bemerkenswert geringe Gewichtsverluste. Nach 6oo stündigem Erhitzen
auf 9o° beträgt der Gewichtsverlust I,o2 % und nach der gleichen Zeit bei I25° I,63%.
Der Hauptverlust tritt in den ersten Ioo Stunden infolge Verdampfung geringer flüchtiger
Rückstände auf. Bei dieser Hitzebeanspruchung tritt keine merkliche Verschlechterung
der physikalischen Eigenschaften ein.
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Die mit Mischungen aus saurem Polyester und Äthoxylinharzen imprägnierten
Bänder oder Bogen aus Glimmerpapier können als Isolation für elektrische Leiter
und verschiedene Wicklungen von elektrischen Maschinen, einschließlich Ankerwicklungen
für verhältnismäßig hohe Spannungen, wie Ankerwicklungen, die in Nuten eines Ankerkerns
eines Turbinengenerators eingelegt sind, verwendet werden. Da derartige Wicklungen
billiger und fester als nach früheren Verfahren hergestellt werden können, lassen
sich bei der Herstellung der elektrischen Maschinen wesentliche wirtschaftliche
Vorteile erzielen. Diese Vorteile werden besonders offenbar bei der Herstellung
von Generatoren, bei der bisher die Herstellung der isolierten Statorstäbe ein Engpaß
war, da sie sich nach den bekannten Verfahren nur wesentlich langsamer herstellen
lassen.
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An Stelle der in den Beispielen beschriebenen sauren Polyester und
Äthoxylinharze können auch andere saure Polyester, wie Pimelinsäureglycerin- und
Sebazinsäureglycerinester, und andere Äthoxylinharze verwendet werden. Auch das
Verfahren zur Herstellung des Glimmermaterials kann abgewandelt werden. Schließlich
können die Verhältnisse von saurem Polyeinem harten Gegenstand angeschlagen, so
ergeben sie einen metallischen Klang. Die elektrischen Eigen- 65 schaften dieser
Schichtplatten und die prozentuale Zusammensetzung der verwendeten Harzmischungen
sind aus Tabelle 4 zu entnehmen. ester zu Äthoxylinharz innerhalb gewisser, oben
angegebener Grenzen abgewandelt und verschiedene Lösungen der Harze oder von Kondensationsprodukten
niederen Molekulargewichts im Rahmen der Erfindung verwendet werden.
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Gemäß der Erfindung ist es nunmehr möglich, die Windungen verschiedenster
dynamoelektrischer Maschinen, beispielsweise Ankerwicklungen, mit einer zusammengesetzten
ausgezeichneten Isolation zu versehen, die überragende elektrische Eigenschaften
aufweist und in einem Arbeitsgang aufgebracht werden kann, ohne daß die Umhüllung
oder Behandlung wiederholt zu werden braucht. Durch Verwendung dieser Isolationen
gemäß der Erfindung können viele der bisher aufgetretenen Schwierigkeiten vermieden
werden, und die erhaltene Isolation ist praktisch ohne Hohlräume. Dies ist im Beispiel
2 daraus zu ersehen, daß bei gegebener Temperatur der Leistungsfaktor bei steigender
Spannung konstant bleibt. Die Isolation gemäß der Erfindung bedarf keiner zusätzlichen
Imprägnierung mit anderen Isolationsmitteln, nachdem sie um die elektrische Windung
gewickelt wurde. Die dielektrische Festigkeit und der Leistungsfaktor bei verschiedenen
Temperaturen ist gegenüber diesen Eigenschaften bei den bekannten Isolationen für
Windungen elektrischer Maschinen wesentlich verbessert. Diese hervorragenden Eigenschaften
beruhen im wesentlichen auf der Anwendung der besonderen Harzisolation, die aus
zwei bestimmten Harzen besteht. Die Kombination dieser Harze in Verbindung mit Glimmerpapier
hat den weiteren Vorteil, bei erhöhten Temperaturen biegsam und erweichbar zu sein,
so daß Rißbildung und Kurzschlüsse der Isolation beim Ausdehnen und Zusammenziehen
der Isolation mit wechselnder Temperatur auf ein Mindestmaß herabgesetzt sind.
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Der Ausdruck Windung umfaßt die verschiedensten elektrischen Windungen
und Spulen, wie sie für Relais, Transformatoren oder andere nicht umlaufende Vorrichtungen
verwendet werden, ebenso wie für Stator- oder Rotorspulen oder Stäbe dynamoelektrischer
Maschinen. Wann auch immer die zusammengesetzte
Isolation des
behandelten Glimmermaterials gemäß der Erfindung angewendet wird, ergeben sich ungewöhnliche
Vorteile.