DE1263928B - Verfahren zum Impraegnieren und Umgiessen von elektrischen Wickeln - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIf

Deutsche Kl.: 21g-1/02

Nummer: 1263 928

Aktenzeichen: C 20305 VIII c/21 g

Anmeldetag: 7. Dezember 1959

Auslegetag: 21. März 1968

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, um elektrische Wickel, beispielsweise die in Transformatoren-, Strom- und Spannungswandlern verwendeten Wickel, sowie Kondensatorwickel und Potentialsteuerwickel in elektrischen Durchführungen mit einer gießbaren, erhärtenden Masse zu imprägnieren und zu umgießen.

Es ist seit längerer Zeit bekannt, solche Geräte herzustellen, bei denen die Umgußmasse die äußere Umhüllung des Wickels sowie die Isolation zwischen den einzelnen Leitern und Teilen des Wickels darstellt und diesen gegen mechanische Beschädigung schützt sowie isoliert. Dabei müssen die Wickel zur Erzielung einer ausreichenden Isolation mit Gießmasse getränkt werden, wobei keinerlei Lufteinschlüsse innerhalb der einzelnen Windungen und Teile des Wickels verbleiben dürfen, um zu vermeiden, daß Glimmentladungen und dadurch gegebenenfalls Durchschläge auftreten. Das Imprägnieren erfolgt üblicherweise bei erhöhter Temperatur bei Unterdruck, wodurch die imWicklungs- und Isolationsmaterial enthaltende Feuchtigkeit entfernt und die Gefahr von Luft- oder Gaseinschlüssen praktisch ausgeschlossen wird. Der so imprägnierte Wickel erhält darauf eine Umhüllung aus einer Masse, welche zur Erhöhung ihrer Festigkeit, Oberflächenhärte usw. mit einer Füllmasse, beispielsweise Quarzmehl, versetzt ist. Die Füllmasse hält außerdem bei großem Harzvolumen die exotherme Reaktion niedrig und erniedrigt Schwund und Ausdehnungskoeffizient des Körpers. Da diese Umgußmasse etwas andere physikalische Eigenschaften, wie beispielsweise einen anderen Ausdehnungskoeffizient, besitzt als die zur Imprägnierung verwendete Masse bzw. als der mit dieser imprägnierte Wickel, besteht die Gefahr, daß zwischen beiden Massen durch mechanische Spannungen Risse und Hohlräume entstehen, welche die mechanische und elektrische Festigkeit (Glimmentladungen) des fertigen Gerätes herabsetzen.

Es sind nun Verfahren bekanntgeworden, bei denen der Wickel zunächst bei Unterdruck mit einem wärmehärtenden Kunstharz imprägniert wird. Der so erhaltene Körper wird nach dem Aushärten der Imprägniermasse an der Außenfläche mit mechanischen Mitteln aufgerauht und in einem zweiten getrennten Verfahrensschritt umgössen. Dies Verfahren ist zeitraubend, weil zwei hintereinandergeschaltete Aushärtprozesse erforderlich sind, zwischen welche ein mechanischer Bearbeitungsvorgang eingeschaltet ist, und weil nicht mit Sicherheit eine feste Haftung und eine bläschenfreie und fugenlose Verfahren zum Imprägnieren und Umgießen von elektrischen Wickeln

Anmelder:

CIBA Aktiengesellschaft, Basel (Schweiz)
Vertreter:

Dr. F. Zumstein, Dr. E. Assmann,

Dr. R. Koenigsberger

und Dipl.-Phys. R. Holzbauer, Patentanwälte,

8000 München 2, Bräuhausstr. 4

Als Erfinder benannt:

Dr.-Ing. Donato Raimondi, Mailand (Italien)

Beanspruchte Priorität:
so Schweiz vom 8. Dezember 1958 (67 025)

Verbindung zwischen der Imprägniermasse und dei Umgußmasse erreicht wird.

Es ist ferner ein Verfahren bekanntgeworden, bei welchem diese beiden Verfahrensschritte kombiniert und in einer einzigen Form durchgeführt werden. Zunächst wird der Wickel bei Unterdruck mit reinem Gießharz imprägniert. Darauf wird das mit Füllstoffen versetzte Gießharz ohne Aufhebung des Unterdruckes in die gleiche Form nachgefüllt. Das mit Füllstoff versetzte Gießharz verdrängt das außerhalb der Wicklung befindliche Reinharz und bildet nach Erhärtung die äußere Umhüllung. Nachteilig bei diesem Verfahren ist einerseits die Tatsache, daß alle Gußoperationen bei Unterdruck mit einer verhältnismäßig komplizierten Apparatur ausgeführt werden müssen, daß die für den endgültigen Guß erforderliehe Form während der Dauer des gesamten Prozesses, also auch für den Imprägnierprozeß, besetzt ist und daß das aus der Form verdrängte reine Gießharz mit Rücksicht auf die Topfzeit und Verunreinigungen beim Verdrängen aus der Form nicht mehr verwendbar ist, sondern verlorengeht.

Ferner ist ein Tränkverfahren für Spulen u. dgl. bekanntgeworden, bei welchem der zu tränkende Gegenstand in ein das Tränkmittel in dünnflüssigem Zustand enthaltendes Gefäß eingebracht wird, wonach die Tränkflüssigkeit verdickt, der Gegenstand aus dem Gefäß entnommen und die Aushärtung vollendet werden. Da die Verdickung durch Reaktion

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der Tränkflüssigkeit, beispielsweise Lösungsmittelverdunstung, Polymerisation oder Kondensation bzw. eine Kombination dieser Vorgänge, erfolgt und diese Vorgänge irreversibel sind, kann das auf den Außenflächen des Gegenstandes anhaftende bzw. abtropfende Reinharz nicht mehr weiterverwendet werden; es geht somit verloren.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Imprägnieren und Umgießen von elektrischen Wickeln mit in der Wärme härtenden, gießbaren Kunstharzen, bei welchem der Wickel zunächst mit einem dünnflüssigen Harz imprägniert und darauf mit einem mit Füllstoffen versetzten, dickflüssigeren Harz umgössen und gehärtet wird. Hierbei werden die Nachteile der vorstehend diskutierten Verfahren erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß der Wickel nach dem. Imprägnieren mit dünnflüssigem Harz so weit abgekühlt wird, daß die die Härtung bewirkende Komponente auskristallisiert und darauf das auf der Außenfläche des Wickels anhaftende Imprägnierharz bis auf eine dünne Schicht mechanisch abgestreift wird, worauf erst das Umgießen mit dem mit Füllstoffen versetzten, dickflüssigerem Harz erfolgt.

Vorteilhafterweise erfolgt das Imprägnieren in der Weise, daß der Wickel unter verringertem Druck bei gegebenenfalls erhöhter Temperatur entgast und entfeuchtet und darauf in einem bei dieser Temperatur dünnflüssigen Harz umgössen wird. Zusätzlich kann nach dem Imprägnieren unter verringertem Druck das Eindringen des dünnflüssigen Harzes in den Wickel noch durch die Anwendung von erhöhtem Druck, beispielsweise durch ein unter Überdruck stehendes inertes Gas, verbessert werden. Durch diese Druckanwendung kann die Menge der in den Wickel eingebrachten Imprägniermasse noch erhöht werden.

Das Imprägnieren mit dünnflüssigem Harz kann entweder in einer gesonderten Blechform, durch Untertauchen in einen Kessel oder durch Anwendung des sogenannten Schleudergußverfahrens geschehen. Das Eindringen des Imprägnierharzes in den Wickel kann durch die Anwendung von erhöhtem Druck, beispielsweise durch ein unter Überdruck stehendes inertes Gas, verstärkt werden. Das Entfernen des abgekühlten und dabei zähflüssigen oder pastenartigen Imprägnierharzes kann von Hand mit einem Spachtel, durch Abstreifen mit einer Lehre oder durch Abblasen mit Druckluft erfolgen.

Die pastenartige oder höchstens schwerflüssige Konsistenz muß derart sein, daß beim Herausnehmen des Wickels aus der Form und nach dem Abstreifen nicht die Gefahr besteht, daß aus den äußeren Lagen oder Teilen des Wickels Harz herausläuft und sich so nicht wiederschließende Hohlräume bilden. Grundsätzlich soll das Imprägnierharz bzw. das Imprägnierharz-Härtergemisch beim Abkühlen eine pastenartige oder höchstens schwerflüssige Konsistenz annehmen, die darauf zurückzuführen ist, daß die die Härtung verursachende Komponente auskristallisiert, bei darauffolgender Erwärmung aber wieder im Harz in Lösung geht. Im auskristallisierten Zustand entfällt die härtende Wirkung des Härters auf das Harz, und die Masse kann in diesem Zustand gelagert werden, ohne daß auch nach längerer Zeit ein Abhärten auftritt.

Statt des Reinharzes kann man zum Imprägnieren des Wickels auch ein mit irgendeinem Füllstoff gestrecktes Harz verwenden, wenn sich dieses wie Reinharz verhält. Wesentlich ist vor allem, daß das Imprägnierharz genügend dünnflüssig ist, um in die Zwischen- bzw. Hohlräume der Wickel eindringen zu können. ...... - - .

Das auf das Abstreifen des überflüssigen Harzes folgende Umgießen mit einem mit Füllstoffen vermengten, dickflüssigeren Harz muß so erfolgen, daß ein sicheres Haften zwischen dem imprägnierten Wickel und der äußeren Umgießung ohne Hohlräume oder Risse erfolgt.

Eine solche von Hohlräumen und damit von der Gefahr von Glimmentladungen freie Imprägnierung sowie auch die Haftung der Umgießmasse auf dem Wickel kann noch verbessert werden, wenn im An-Schluß an die gegebenenfalls unter vermindertem Druck erfolgte Umgießung der verminderte Druck aufgehoben und durch Überdruck ersetzt wird, der auf die Oberfläche der Umgießmasse einwirkt.

Da härtbare Imprägnier- und Umgießmassen bei ihrer Härtung einen gewissen Reaktionsschwund aufweisen, ist es zweckmäßig, für diese Zwecke die verwendeten Harze und Gießmasse so abzustimmen, daß die Umgießmasse erst nach der Verfestigung der Imprägniermasse härtet. Um das zwangläufige Nachfließen des durch die chemische Reaktion verminderten Volumens des im Wickel eingeschlossenen Imprägnierharzes sowie das absolut dichte' Umschließen der Wickelkörper durch die Umgießmasse zu bewerkstelligen, wird die Anwendung des Überdrukkes bis zur Verfestigung der Umgießmasse ausgedehnt. Als Medium kann sowohl trockene Druckluft als auch Stickstoff oder ein anderes inertes Gas verwendet werden.
Ein Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird am Ende der Beschreibung gegeben.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens beruhen zunächst einmal darauf, daß praktisch keine oder nur geringfügige Verluste an reinem Gießharz auftreten, da das nach dem Abkühlen des imprägnierten Wickels abgestreifte Reinharz bzw. Imprägnierharz mit der auskristallisierten Härterkomponente wiederverwendet werden kann. Dieses ergibt eine erhebliche Einsparung an Imprägnierharz. Weiterhin gestattet das vorliegende Verfahren den beispielsweise durch Tauchen oder Schleuderguß imprägnierten Gegenstand, der nach dem Abkühlen zunächst einen unregelmäßig geformten Körper darstellt, durch Abstreifen des auf dem Wickel haftenden Reinharzes bzw. Imprägnierharzes in die ger wünschte Form zu bringen. Diese Formgebungsmethode gestattet eine erhebliche Vereinfachung, welche zusammen mit der bereits erwähnten Möglichkeit zur Wiederverwendung des abgestreiften Harzes eine erhebliche Verbilligung der Erzeugnisse mit sich bringt. Das in die endgültige Gießform env gefüllte, mit Füllstoffen versehene Harz verdrängt infolge seiner höheren Temperatur und größeren Dichte die noch an der Außenfläche des Wickels haftende dünne Schicht von Imprägnierharz und kommt so in festen Kontakt mit der Außenfläche des Wickels. Dies letztere ist wichtig, um einen wirklich mechanisch robusten Wickel, z. B. Spulenkörper, Wandler oder Transformator, herzustellen. Es wird also die bei den eingangs geschilderten zweistufigen Verfahren bestehende Gefahr vermieden, daß zwischen dem inneren Imprägnierkörper und dem äußeren Umgußkörper mechanische Spannungen auftreten, die zu Hohlräumen führen können.

Andererseits ist das Verfahren erheblich einfacher als die ebenfalls eingangs geschilderten Verfahren, bei welchen Imprägnieren und Umgießen bei Unterdruck in der gleichen Form durchgeführt werden. Die äußerst umständliche Apparatur zum Eingießen, Verdrängen, Ablassen und Entlüften der verschiedenen Gießmassen wird überflüssig oder zumindest ganz erheblich vereinfacht. Ferner wird der bei diesen Verfahren auftretende große Verlust an nicht mehr wiederverwendbarer reiner Harzmasse vermieden.

Vorteilhafterweise erfolgt das Entgasen und Imprägnieren bei höheren Temperaturen, im allgemeinen bei etwa 100 bis 120⁰C, das Abstreifen der überflüssigen Imprägniermasse dagegen bei Raumtemperatur oder zumindest bei einer Temperatur, welche eine bequeme Bearbeitung von Hand ohne Gefahr von Verbrennungen gestattet. Das zum Imprägnieren verwendete Kunstharz muß bei erhöhter Imprägniertemperatur genügend dünnflüssig sein, um mit Sicherheit in alle Zwischenräume des Wickelkörpers einzudringen, während es bei Abkühlung auf die Abstreiftemperatur die gewünschte zähflüssige, vorzugsweise teigige Konsistenz annimmt.

Selbstverständlich sind grundsätzlich nicht nur die im nachstehend beschriebenen Beispiel angegebenen Gießharze geeignet, sondern auch andere härtende Kunstharzmassen, wenn diese die obenerwähnte erforderliche Konsistenzänderung für das Abstreifen innerhalb des erforderlichen Temperaturbereiches aufweisen. Anschließend wird ein Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens gegeben.

Beispiel 1

Der Spulenwickel eines Spannungswandlers wurde in eine Blechform gebettet. In dieser Blechform wird der Spulenwickel so gehalten, daß er auf allen Seiten und an der Unterseite etwa 1 cm Abstand von der Wand der Blechform aufweist.

Wickel und Blechform wurden zunächst auf eine Temperatur von 120° C vorgewärmt und darauf in einem auf etwa 120° C erwärmten Vakuumkessel entfeuchtet und entgast.

Gleichzeitig wurde ein Gießharz (Reinharz) bereitet durch Vermischen von 100 Gewichtsteilen eines durch Kondensation von 4,4'-Dihydroxydiphenyldimethylmethan mit Epichlorhydrin in Gegenwart von Alkali hergestellten Epoxyharzes mit einem Epoxydgehalt von etwa 4,6 Epoxydäquivalenten pro Kilogramm mit 65 Gewichtsteilen eines zuvor aus 35 Gewichtsteilen Phthalsäureanhydrid und 65 Gewichtsteilen Terahydrophthalsäureanhydrids bereiteten Härters. Vor dem Vermischen mit dem Härter wurde das Epoxyharz auf eine Temperatur von 100° C vorgewärmt und bei dieser Temperatur bei Unterdruck von etwa 0,5 mm Hg während 1 Stunde unter Rühren entgast und darauf der Härter beigegeben.

Das so erhaltene Gießharz wurde rasch in die im Unterdruck von etwa 0,2 mm Hg befindliche Blechform eingegossen, so daß der Flüssigkeitsspiegel des Harzes etwa 2 cm über dem Wickel stand. Der Druck war vorher durch Einlassen trockener Luft (Überleiten über Blau-Silikagel) auf den Wert von etwa 1,5 mm Hg gebracht worden. 6g

Nach dem Ausgießen wurde die Form 30 Minuten bei diesem Unterdruck gehalten. Darauf wurde dei Unterdruck im Imprägnierkessel aufgehoben und zur Druckerhöhung während 10 Minuten durch trockene Luft von 2 atü ersetzt.

Die Blechform mit dem Wickel wurde aus dem Imprägnierkessel herausgenommen und bis zum Erkalten auf Raumtemperatur beiseite gestellt. Nach dem Erkalten wurde die Oberfläche der Blechform auf etwa 50° C erwärmt, und zwar lediglich so lange, bis der Wickel herausgezogen werden konnte. Anschließend wurde mit einem Spachtel das am Wickel außen anhaftende Harz abgestreift.

Der so abgestreifte Wickelkörper wurde in die aui 50° C vorgewärmte, der gewünschten Außenform entsprechende Gießform eingesetzt und in dem auf 130° C geheizten Kessel bei einem Unterdruck von 1 mm Hg evakuiert. Die unter vermindertem Druck befindliche Form wurde darauf sofort mit einem mit Quarzmehl gestreckten Gießharz ausgegossen. Dieses bestand aus 100 Gewichtsteilen Epoxyharz und 30 Gewichtsteilen des erwähnten Härters, gestreckt mit 200 Gewichtsteilen Quarzmehl. Diese Mischung wurde vorher bei einer Temperatur von etwa 130° C unter Vakuum entlüftet. Das Epoxyharz wurde in gleicher Weise hergestellt wie das zum Imprägnieren verwendete Harz, hatte aber einen Epoxydgehalt von 2,3 bis 2,6 Epoxydäquivalenten pro Kilogramm.

Die mit dem Harz ausgegossene Form wurde eine viertel Stunde bei einem Unterdruck von 3 mm HG belassen, dann die Form aus dem Vakuumkessel herausgenommen und im Ofen bei einer Temperatur von 130⁰C während 20 Stunden gehärtet. Daraur wurde der fertige, umgossene Wickel aus der Form genommen und langsam erkalten gelassen.

Die so erhaltenen Wickel wurden den üblichen elektrischen Prüfungen wie Messungen der Lagenisolation, Isolation gegen Erde, Stoßbeanspruchung und Glimmneigung bei Radiofrequenz unterworfen und ergaben dabei ausgezeichnete Resultate.

Beispiel 2

Das Imprägnieren und Umgießen eines Spulenwickels wurde nach Art des Beispiels 1 vorgenommen. Im Unterschied zu diesem Beispiel wurde lediglich der Unterschied nach dem Ausgießen der Imprägnierform sofort aufgehoben und mit trockener Luft von 2 atü verdichtet. Desgleichen wurde nach dem Füllen der Umgießform der Unterdruck sofort entfernt und die Umgießmasse durch trockene Druckluft unter 2 atü verdichtet.

Einerseits wurde dadurch die Topfzeit des Imprägnierharzes besser ausgenutzt, andererseits wurde durch die Druckverdichtung während des Aushärtens das Auftreten von Hohlräumen, Rissen usw. im Gußkörper verhindert.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Imprägnieren und Umgießen von elektrischen Wickeln mit in der Wärme härtenden, gießbaren Kunstharzen, bei welchem dei Wickel zunächst mit einem dünnflüssigen Harz imprägniert und darauf mit einem mit Füllstoffen versetzten Harz umgössen und gehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Wikkel nach dem Imprägnieren mit dünnflüssigem Harz so weit abgekühlt wird, daß die die Härtung bewirkende Komponente auskristallisiert und darauf das auf der Außenfläche des Wickels anhaftende Imprägnierharz bis auf eine dünne Schicht mechanisch abgestreift wird, worauf erst

das Umgießen mit dem mit Füllstoffen versetzten, dickflüssigerem Harz erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Imprägnieren der Wickel unter verringertem Druck und gegebenenfalls bei erhöhter Temperatur entgast und entfeuchtet wird und darauf mit einem bei dieser Temperatur dünnflüssigen Harz umgössen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Imprägnieren in einer ge- ίο sonderten Form erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Imprägnieren durch Untertauchen des Wickels bei vermindertem Druck in einen das dünnflüssige Harz enthaltenden Behalter erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Imprägnieren durch Anwendung des Schleudergußverfahrens erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eindringen des dünnflüssigen Imprägnierharzes in den Wickel durch die Anwendung von erhöhtem Druck verstärkt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Umhüllung versehene Wickel erhöhtem Druck ausgesetzt wird, bis das Anhärten des mit Füllstoffen versehenen dickflüssigeren Harzes erfolgt, während das Aushärten unter Normaldruck erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Umhüllung versehene Wickel erhöhtem Druck ausgesetzt wird und der Druck während des gesamten Härtevorganges aufrechterhalten wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 966 274, 929 686.

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