DE2811858B2

DE2811858B2 - Verfahren zur Isolierung einer elektrischen Wicklung

Info

Publication number: DE2811858B2
Application number: DE2811858A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Hitachi Hakamada; Hideyo Tokaimura Ibaraki Hirata; Toshio Hitachi Katoh
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1977-03-19
Filing date: 1978-03-17
Publication date: 1981-05-14
Also published as: JPS576333B2; SE440963B; FR2384337B1; US4239998A; MX4029E; SE7803100L; GB1584893A; DE2811858A1; JPS53116402A; AU505430B1; DE2811858C3; BR7801670A; FR2384337A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Isolierung einer elektrischen Wicklung mit einem um diese gewickelten Isolierband, das mit zwei Kunstharzen imprägniert wird, die nach dem Imprägnieren ausgehärtet werden. 4 >

Die Isolierung soll wärmefest sein und sich als trockene Isolierung in rotierenden elektrischen Maschinen, wie z. B. einem Asynchronmotor, Synchronmaschinen, Gleichstrommaschinen und stationären Induktionsvorrichtungen, wie z. B. Transformatoren, verwenden lassen.

Es seien drei Probleme bei Isolationssystemen für wärmebeständige Wicklungen betrachtet:

Das erste Problem besteht darin, daß das Isolationssystem für eine lange Zeitdauer keinen extremen Wärmeabbau zeigen darf. Zur Lösung dieses Problems werden Epoxyharze, Polyamidharze, Polyimidharze und Silikonharze je nach der benötigten Wärmebeständigkeit verwendet. Der Wärmeabbau in einer trockenen Isolation erfolgt in Form eines oxydativen Abbaues infolge des Sauerstoffgehalts der Luft Als Ergebnis wird die intermolekulare Bindung in organischen Stoffen im Isolationssystem, z. B. einem Imprägnierharz, wie etwa einem Epoxyharz, gelöst. Dadurch werden die organischen Stoffe spröde und verlieren ihre mechanische und fa5 elektrische Festigkeit. Der oxydative Abbau der organischen Stoffe wird beschleunigt durch einen Anstieg der Temperatur gemäß der Arrhenius-Theorie der Reaktionsgeschwindigkeit Deshalb ist es erforderlich,, daß das Isolationssystem so dicht ist, daß em Eindringen von Sauerstoff unterbleibt.

Das zweite Problem ergibt sich dadurch, daß das durch den oxydativen Abbau der organischen Stoffe entwickelte Gas die Zersetzung der im Isolationssystem enthaltenen organischen Stoffe z. B. durch Versprödung fördert

E>as dritte Problem liegt darin, daß das entwickelte Gas im Isolationssystem angesammelt wird und der anvrachsende Druck des Gases Abschälvorgänge im Isolationssystem verursacht Das Abschälen im Isolationssystem führt zu einer Verringerung der Wärmeleitung im Isolationssystem und zu einem Anstieg der Temperatur.

Das erste Problem ist bereits bei einer benötigten Wärmebeständigkeit von 155° C (Klasse F) zu berücksichtigen. Bei höheren benötigten Wärmebeständigkeiten von 180⁰C (Klasse H), 205⁰C (Klasse C) oder 230⁰C werden auch das zweite und dritte Problem beachtlich.

Bei Temperaturen oberhalb 220°C stößt man bei jedem organischen Stoff, der für die betrachteten Wicklungen verwendbar ist, notwendigerweise auf alle drei Probleme.

7.U den vorstehend erläuterten Problemstellungen seien folgende Druckschriften genannt:

T. Hakamada et al, »Hitachi Review«, Vol. 25, S.

393-398(1976);

GB-PS 14 62 200.

Aus der AT-PS 2 61 055 ist es bekannt, hochtemperaturbeständig isolierte Wicklungen dadurch herzustellen, daß auf das Leitermaterial ein Gemisch aus Silikonharz und wenigstens einem weiteren Kunstharz gleichzeitig mit einer Glimmerdispersion elektrophoretisch aufgetragen wird, ohne ein Isolierband zu verwenden. Damit soll eine Rißbildung der Isolierschichten bei einem nachträglichen Biegen der isolierten Bauteile verhindert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln, das die Herstellung einer Wicklungsisolierung ermöglicht, die praktisch keinen oxydativen Abbau der organischen Bestandteile erleidet, jedoch durchlässig genug ist, um etwa in der Wicklungsisolierung entwickeltes Gas austreten zu lassen, und bei der Abschälvorgänge der Isolierung vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Isolierband vor dem Aufwickeln auf die Wicklung mit einem ersten Kunstharz imprägniert wird, welches dem zweiten an Durchlässigkeit für in der Isolierschicht entwickeltes Gas überlegen ist, und daß die Wicklung nach dem Aufbringen de·· Isolierbandes mit dem zweiten Kunstharz imprägniert wird, welches dem ersten an Haftkraft zwischen den Schichten des Isolierbandes nach Aushärten der Kunstharze überlegen ist, wobei das Gewichtsverhältnis der Menge des zweiten Kunstharzes zur Menge des ersten Kunstharzes zwischen 0,5 und 5 gehalten wird.

Ausgestaltungen dieses erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert; darin zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Feldpols eines bekannten Gleichstrommotors;

F i g. 2 eine Vergrößerung des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Teils Pin Fig. I;

F i g. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen der Feidspulentemperatur und dem Verhältnis der Menge des zweiten Kunstharzes zu der des ersten Kunstharzes in dem in F i g. 2 gezeigten isolierungsaufbau. ")

Gemäß Fig. 1; die einen Feldpol eines Gleichstrommotors mit elektrischer Isolierung zeigt besteht die Feldwicklung 1 aus einem Wicklungsleiter 2, der zu einer bestimmten Anzahl von Windungen gewickelt wurde. Die Feldwicklung weist Schichtisolatoren L zwischen den einzelnen Windungslagen sowie eine um sie herumgeformte Isolationsschicht 3 auf. Die Feldwicklung 1 ist auf einem Feldkern 10 aufgebracht, der an einem Joch 11 befestigt ist

Die Isolationsschicht 3 besteht erfindungsgemäß, wie ι ö in Fig.2 im einzelnen dargestellt ist aus einem in mehreren Schichten um den Wicklungsleiter 2 gewickelten Isolierband 4, einem das gewickelte Isolierband 4 außen umschließenden Schutzband 8 und einem Kunstharz 9, mit dem die gewickelten "ander 4 und 8 imprägniert sind, um den Wicklungsleiter 2 und die Bänder 4 und 8 fest zu vereinigen. Für das Isolierband 4 wird ehi gewebtes oder nithtgewebtes Band verwendet, das unter anderem aus Glasfaser oder Polyamidfaser oder Glimmer besteht und eine ausgezeichnete 2> Wärmebeständigkeit aufweist. Als Glimmer gibt es flockigen Glimmer und Blattglimmer, der durch Pulverisieren des flockigen Glimmers und anschließendes Pressen des erhaltenen pulverförmigen Glimmers zu einer Bahn oder einem Blatt erhalten wird. Um die genannten drei Probleme im Fall von Glimmer zu lösen, ist es unter dem Gesichtspunki der Gleichmäßigkeit vorteilhaft, den Blattglimmer zu verwenden. Dabei ist es erforderlich, ein Trägermaterial, wie z. B. ein gewebtes oder nichtgewebtcs Band von Glasfasern oder Poly- r> amidfasern oder einen Polyimidharzfilm zu verwenden, um den Glimmer zu verstärken. Mit Rücksicht auf die vorgesehene Kunstharzimprägnierung wird ein poröses Band als Trägermaterial vorgezogen. Gemäß F i g. 2 wird ein solches Band, das aus Glimmer 6, der mit einem Trägermaterial 5 verstärkt ist, besteht, als Isolierband 4 verwendet.

Das Schutzband 8 ist aufgewickelt, um das Isolierband 4 zu schützen. Daher wird als Schutzband 8 allgemein ein Glasgespinstband mit hohen Festigkeitswerten 4^r> verwendet. Das Isolierband 4 wird vorab mit einem ersten Kunstharz 7 imprägniert, das von dem nach dem Aufbringen der Isolierung zur Imprägnierung vorgesehenen zweiten Kunstharz9 verschieden ist.

Das erste Kunstharz 7 muß dem zweiten Kunstharz 9 w an Durchlässigkeit für ein eventuell im Isolierband 4 entwickeltes Gas überlegen sein. Die Gasdurchlässigkeit verschiedener wärmebeständiger Kunstharze wurde gemessen. Die erhaltenen Ergebnisse sind in der Tabelle 1 angegeben. v>

Tabelle 1

nen Kunstharzen, bezogen auf die CO₂-Durchlassigkeit von Epoxyharz (die als 100 genommen isi), dar. Wie die Tabelle 1 zeigt, ist im Fall der Epoxyharze die Durchlässigkeit für Sauerstoffgas mehr als siebenmal so groß wie die Durchlässigkeit für Kohlendioxidgas. Bei einer solchen Durchlässigkeit für Sauerstoffgas wird die Sauerstoffzufuhr in die Isolationsschicht 3 zu stark, und ein oxydativer Abbau — vgl. das obenerwähnte erste Problem — tritt leicht auf. Andererseits ist die Menge von durch oxydativen Abbau freigesetztem Kohlendioxidgas gering. Daher werden das obenerwähnte zweite und dritte Problem, nämlich die Zersetzung organische Stoffe und das Abschälen der Isolationsschicht durch die Ansammlung des Gases verursacht. Im Fall von Silikonharzen ist die Durchlässigkeit für Kohlendioxidgas mehr als doppelt so hoch wie die Durchlässigkeit für Sauerstoffgas. Im Vergleich mit Epoxyharzen ist die Durchlässigkeit für Kohlendioxidgas fünffach, während die Durchlässigkeit für Sauerstoffgas '/3 ist. Daher treten solche Probleme wie in Epoxyharzen in Silikonharzen nicht auf. Im Fall von Urethanharzen ist die Durchlässigkeit für Kohlendioxidgas etwa dreimal so hoch wie die Durchlässigkeit für Sauerstoff. Wie diese Daten zeigen, ist bei Urethanharzen das Verhältnis der Menge des abgegebenen Kohlendioxids zu der der Sauerstoffgaszufuhr ausgezeichnet. Da die absoluten Werte der Gasdurchlässigkeit hierbei jedoch klein sind, ist es schwierig, Urethanharze zu verwenden. Daher ist es zweckmäßig, ein Silikonharz als erstes Kunstharz 7 zu verwenden.

Für das zweite Kunstharz 9 wird ein gutes Imprägnierverhalten benötigt, damit das Isolierband 4 und das Schutzband 8 vollständig durchimprägniert werden. Daher sind Kunstharze, die eine Viskosität von einigen Zehnteln Pa · s bei einer Vakuumimprägnierung aufweisen, zweckmäßig. Auch muß das zweite Kunstharz geeignet sein, die einzelnen Lagen der Isolationsschicht 3 mit hoher mechanischer Festigkeit zu verkleben. Die Eigenschaften verschiedener wärmebeständiger Kunstharze, die für diesen Zweck erforderlich sind, wurde gemessen. Die erhaltenen Ergebnisse sind in der Tabelle 2 aufgeführt.

Tabelle 2

Kunstharz

Gas
CO₂

O₂

b0

Epoxyharz	100	733
Silikonharz	500	244
Urethanharz	89	33

b5

Kunstharz	Eigenschaften	Zugfestig
	Viskosität	keit
	bei 25 C	(kg/mm²)
	(Pa s)

Epoxyharz 0,29

Silikonharz 2,4

Epoxy-Isozyanatharz 0..14

5,2 0,5 7,6

Die Zahlenwerte in der Tabelle 1 stellen die relative Durchlässigkeit für verschiedene Gase bei den einzel-Wie die Tabelle 2 zeigt, haben die als das erste Kunstharz verwendeten Silikonharze eine hohe Viskosität und sind daher nicht zur Imprägnierung geeignet. Weiter ist ihre Haftkraft gering. Daher ist es unzweckmäßig, Silikonharze zum Verkleben der Wikkellagen des Isolierbandes 4 und des Schutzbandes 8 zu verwenden. Dagegen haben Epoxyharze und Epoxy-Isozyanatharze eine Viskosität von weniger als 0,3 Pa · s und sind von ausgezeichneter Haftkraft. Daher sind diese Kunstharze als zweites Kunstharz 9 wirkungsvoll. Wenn eine Isolationsschicht 3 gebildet wird, ist es für ein gutes Abstimmen der Durchlässigkeit für ein in der Isolationsschicht erzeugtes Gas und der

Haftkraft erforderlich, ein geeignetes Verhältnis der Menge des zweiten Kunstharzes zu der des ersten Kunstharzes zu wählen. Wie oben beschrieben, tritt ein Abschälen der Wickellagen der einzelnen Bänder auf und die Wärmeleitung wird behindert, wenn sich in der Isolationsschicht 3 Gas ansammelt. Ein Abschälen tritt auch auf, wenn die Haftkraft zwischen den Wickellagen gering ist. Daher müssen die Durchlässigkeit für ein in der Isolationsschicht erzeugtes Gas und die Haftkraft, die innerhalb der Isolationsschicht 3 erforderlich ist, durch Auswahl eines geeigneten Verhältnisses der Menge des zweiten Kunstharzes zur Menge des ersten Kunstharzes gesteuert werden.

Ein Feldwicklungsmodell wurde hergestellt, und man untersuchte einen geeigneten Bereich von Verhältnissen der Menge fedes zweiten Kunstharzes zur Menge .-; des ersten Kunstharzes. Das hergestellte Feldwicklungsmodell hat einen Aufbau, wie er in den Fig. I und 2 dargestellt ist. Als Isolierband wurde ein Band mit einer Dicke von 0,13 mm. das durch Aufkleben von Blattglimmer auf ein Glasgespinstband mit einem Silikonharz als dem ersten Kunstharz erhalten wurde, verwendet. Das Band wurde dreimal um einen Wicklungsleiter gewikkelt, wobei die halbe Breite des Bandes überlappt wurde. Ein unimprägniertes Glasgespinstband mit einer Dicke von 0.18 mm wurde einmal um die beschriebene Bandisolation herumgewickelt, wobei ebenfalls die halbe Breite des Bandes überlappt wurde. Dieser Isolierungsaufbau wurde im Vakuum mit einem Epoxy-Isozyanatharz als zweitem Kunstharz imprägniert. Dieses Epoxy-Isozyanatharz ist ein Harz, das durch Vermischen von 0,1 bis 0.5 Äquivalentgcwicht einer polyfunktionellen Epoxyverbindung mit einem Äquivalentgewicht einer polyfunktionellen Iso/yanatverbindung und anschließendes Aushärten der erhaltenen Harzzusammensetzung in der Gegenwart eines Heteroring-bildenden Katalysators erzeugt wurde. (Bezüglich der Einzelheiten des Epoxy-lsozyanathar/es wird auf die GB-PS 14 47 500 und die AU-PS 4 70 978 verwiesen.) Es wurden dann eine Erhitzung und eine Druckformung durchgeführt, um ein Feldwicklungsmodel! fertigzustellen.

Zwecks einer Temperaturerhöhung auf 220"C wurde dem Feldwicklungsmodell elektrischer Strom zugeführt. Dabei untersuchte man den Temperaturanstieg in Abhängigkeit von dem Verhältnis b/a der Menge b des zweiten Kunstharzes zur Menge a des ersten Kunstharzes. Die erhaltenen Ergebnisse sind in der Fig.3 dargestellt. Wie F i g. 3 klar erkennen läßt, ergibt ein 6/3-Wert innerhalb des Bereichs von 0.5 : 1 bis 5:1 Gewichtsteilen den niedrigsten Temperaturanstieg. Daher benutzt man ein Mengenverhältnis innerhalb dieses Bereichs. Die vermutlichen Gründe für den Temperaturanstieg, wenn b/a kleiner als 0,5 : 1 ist, sind im folgenden dargelegt:

Wenn die Menge des Silikonharzes als des ersten Kunstharzes groß ist, »vird die Gasdurchlässigkeit der Isolationsschicht gut, jedoch die Haftkraft zwischen den gewickelten Lagen der einzelnen Bänder ist gering. Beim Betrieb bei hoher Temperatur von 200⁰C oder mehr tritt ein Abschälen zwischen den Lagen auf, und die Wärmeleistung wird behindert. Als Ergebnis steigt die Temperatur.

Tatsächlich wurde bei Untersuchung der Isolationsschicht der Feldwicklung gefunden, daß viele Abschälvorgän.ge nicht nur zwischen dem Wicklungsleiter und der Isolationsschicht, sondern auch zwischen den Lagen innerhalb der Isolationsschicht aufgetreten waren.

Andererseits wird, wenn b/a gewichtsmäßig mehr als 5 :1 beträgt, die Menge des zweiten Kunstharzes mit ausgezeichneter Haftkraft groß. Daher wächst die Haftkraft der Isolationsschicht, jedoch die Gasdurchlässigkeit der Isolationsschicht verringert sich. Als Ergebnis sammelt sich das in der Isolationsschicht erzeugte Gas in dieser stark an, ohne aus dieser Schicht auszutreten. Wie oben beschrieben, verursacht vermutlich ein Anstieg des Druckes des angesammelten Gases das Abschälen trotz guter Haftung und einen Temperaturanstieg. In diesem Fall fand man. als die Isolationsschicht der Feldwicklung untersucht wurde, daß starke Abschälvorgänge auftraten, obwohl die Anzahl der Abschälungen geringer war. Die Stellen, wo die Abschälungen in der Isolationsschicht hierbei auftraten, waren an der Polaußenseitc und wiesen eine größere Flächenausdehnung auf (wie durch 5 in F i g. 1 angedeutet ist).

Wenn b/a gewichtsmäßig innerhalb des Bereichs von 0.5 : 1 bis 5 :1 liegt, werden dagegen offenbar die Gasdurchlässigkeit und die Haftkraft der Isolationsschicht geeignet ausgeglichen. Tatsächlich fand man. als die Isolationsschicht der Feldwicklung auseinandergenommen wurde, daß nur geringes oder überhaupt kein Abschälen örtlich auftrat.

Die beschriebenen Versuche wurden unter Verwendung eines Epoxy-Isozyanatharzes als zweiten Kunstharzes durchgeführt. Bei Verwendung eines Epoxyharzes als des zweiten Kunstharzes erhielt man jedoch der Kurve in F i g. 3 fast entsprechende Ergebnisse, und es wurde erneut bestätigt, daß b/a vorzugsweise gewichtsmäßig innerhalb des Bereichs von 0.5 :1 bis 5:1 liegt.

llici/u ^ Hl;ill /.i-i

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Isolierung einer elektrischen Wicklung mit einem um diese gewickelten Isolierband, das mit zwei Kunstharzen imprägniert wird, die nach dem Imprägnieren ausgehärtet werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolierband vor dem Aufwickeln auf die Wicklung mit einem ersten Kunstharz imprägniert wird, welches ι ο dem zweiten an Durchlässigkeit für in der Isolierschicht entwickeltes Gas überlegen ist und daß die Wicklung nach dem Aufbringen des Isolierbandes mit dem zweiten Kunstharz imprägniert wird, welches dem ersten an Haftkraft zwischen den Schichten des Isolierbandes nach Aushärten der Kunstharze überlegen ist, wobei des Gewichtsverhältnis der Menge des zweiten Kunstharzes zur Menge des ersten Kunstharzes zwischen 0,5 und 5 gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als erstes Kunstharz ein Silikonharz verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Kunstharz aus einer polyfunktionellen Isozyanatverbindung und einer polyfunktionellen Epoxyverbindung zusammengesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolierband durch Aufkleben von Blattglimmer auf ein Glasgewebeband mit dem ersten Kunstharz erhalten wird.

5. Verwendung einer nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 hergestellten Isolierung r> für eine Feldwicklung eines Gleichstrommotors.