DE2013446C

DE2013446C - Stabisolator für eine umlaufende elektrische Maschine

Info

Publication number: DE2013446C
Application number: DE19702013446
Authority: DE
Inventors: Toshio; Kawai Sadaharu; Hitachi; Sonoda Sanenobu Ibaragi; Nakamura (Japan)
Original assignee: Hitachi Ltd., Tokio; Nitto Electric Ind. Co. Ltd., Ibaragi; (Japan)
Filing date: 1970-03-20
Publication date: 1973-01-11

Description

Aus der USA.-Patentschrift 3 026 433 sind Iso- Demgegenüber hat das bei der vorliegenden Erfinlatoren auf der Grundlage organischer Isolations- dung verwendete Poiymermatenial sehr viel v^eniger materialien an Stelle der obenerwähnten Materialien Nachteile.

bekannt; die Oberfläche des organischen Isolations- 60 Vorzugsweise weist der Bürstenhalterschaft einen materials kai bonisiert jedoch leicht, wenn der Isolator becherförmigen Verbindungsabschnitt auf, in den einem starken Lichtbogen ausgesetzt wird, und es das Tragelement eingesetzt ist, und das Polymerharz findet ein dielektrischer Durchschlag längs der Ober- des dem Lichtbogen ausgesetzten Teils enthält 59 fläche des Isolators statt. Damit geht die Funktion bis 70 Gewichtsprozent Kohlenstoff, als Isolator schließlich verloren. Selbst wenn als Iso- fs Zu den erfindungsgemäß verwendeten polymeren Jationsmatcrial beispielsweise herkömmliches Poly- Isolationsmaterialien mit guter Lichtbogenfestigkeit cslcrhar/, Epoxyharz, Diallylphlhalatharz od. dgl. gehören folgende Harze, verwendet wird, karbonisiert die Oberfläche des 1. Eine wärmehärtende Harzmasse, die aus einer

durch die folgende allgemeine Formel wiedergegebenen Verbindung besteht:

O —R'

R'

C —O —R'

darin bedeutet R eine zweiwertige Gruppe von Cycloparaffinen und Cycioolefinen und R' eine teten Harzes können durch Hinzufügen eines Füllstoffes wie von pulverisierter Kieselsäure, pulverisiertem Aluminiumhydroxyd, pulverisiertem Quarz, pulverisiertem Glas oder pulverisiertem Magnesiumhydroxyd zu der Harzmasse verbessert werden.

Falls die Harzverbindung einem erheblichen Lichtbogen-Spratzeffekt ausgesetzt wird, läßt sich dieser Effekt durch Hinzufügen einer geeigneten Menge verschiedener Füllstoffe zu der Masse steuern. Außerdem ist festgestellt worden, daß die Wärmeleitfähigkeit des ausgehärteten Harzes durch Zufügen des Füllstoffes zu der Harzmasse erhöht werden kann, wobei die Schrumpfung beim Härten und der Wärmeausdehnungskoeffizient vermindert sowie die Licht

gesättigte Kohlenwasserstoffgruppe mit wenigstens 15 bogenfestigkeh erhöht werden.

einer Epoxybindung und einem Härter.

Zu den durch die genannte allgemeine Formel wiedergegebenen Verbindungen gehören Diglycidyihexahydrophthalat, Diglycidylcyclopentendicarbonat und Diglycidyltetrahydrophthaht. ao

Als für die vorliegende Erfindung besonder geeignete Härter werden angegeben:

(a) alicyciische Säuren oder Amine mit mindestens zwei funktionalen Gruppen wie etwa Hexahydrophthalsäure, Tetrahydrophthalsäure, Hexahydro- ^a5 pyromellitsäure, Cyclohexanondiamin und Cyclohexanontriamin sowie

(b) aliphatisch^ Dicarbonsäure und Diamine wie etwa Bernsteinsäure, Adipinsäure und Hexamethylendiamin.

Diese Härter werden Bestandteil der wärmehärtenden Harzmasse, und die Aushärtung kann durch Hinzufügen eines geeigneten Härtunjsbeschleunigers stark vorangetrieben werden.

2. Ungesättigtes •»olyfsterharz, das durch eine AdditionsreaVtion von mindestens einem monomeren Diallylphthalat, Diallylhexahydrophthalat, Diallylhexahyuroisophthalc!, Diallylhexahydroterephthalat oder Triallylisocyanat mit einem ungesättigten Polyester hergestellt wird, wobei das ungesättigte Polyester aus den folgenden drei Komponenten synthetisiert wird:

fa) einem gesättigten zweiwertigen Alkohol wie etwa Älhylenglykol, Propylenglykol und Neopentylglykol,

{b) einer aliphatischen Dicarbonsäure wie etwa Bernsteinsäure, Adipinsäure und Hexahydroterephthalsäure oder cycloparaffinische Dicarbonsäuren oder deren Anhydride und

(c) einer ungesättigten Dicarbonsäure wie etwa Maleinsäure und Itaconsäure.

Neben den oben angegebenen wärmehärtenden Harzen können bei der vorliegenden Erfindung viele andere lichtbogenfeste isolierende Polymermaterialien verwendet werden.

Isolierende Polymermaterialien mit geringerer odei ungenügender Wärmebeständigkeit gegen Temperaturanstiege, wie sie mit dem Betrieb einer umlaufenden elektrischen Maschine verbunden sind, beispielsweise Polyäthylen oder Polyoxymethylen, sind nicht vorteilhaft, auch wenn sie ein C/H-Verhältnis von 0,75 oder weniger und eine Selbstreinigungswirkung aufweisen.

Erfindungsgemäß werden also wärmehärtende Harze verwendet.

Die mechanischen Eigenschaften eines ausgehär-Im folgenden sind Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Stabisolators an Hand der Zeichnungen beschrieben; in den Zeichnungen zeigen

F i g. 1 und 2 Querschnitte durch erfindutigsgemäße Stabisolatorformen,

F i g. 3 ein Diagramm der Beziehung zwischen der Lichtbogenfestigkeit und dem Kohlenstoffgehalt,

F i g. 4 eine schematische Darstellung des Plasmatestverfahrens und

F i g. 5 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen der Wärmeleitfähigkeit und der Lichtbogenfestigkeit von wärmehärtendem Harz.

In F i g. 1 und 2 stellt die Bezugsziffer 1 den Schaft eines Bürstenhalters, 2 ein Tiagelement zur Befestigung am Rahmen einer elektrischen Maschine und 3 einen Überzug aus einem speziellen, lichtbogenfesten, wärmehärtenden Polymermaterial dar, wie es erfindungsgemäß verwendet wird.

Der Schaft 1 des Bürstenhalters ist mit dem Tragelement 2 zu einer Einheit verbunden, wobei das Tragelement 2 in den Schaft 1 mit einem bestimmten

Abstand von diesem mittels eines Isolationsmaterials4 mit hoher mechanischer Festigkeit, beispielsweise eines Epoxyharzes auf Bisphenolbasis, eingesetzt und dadurch von dem Schaft 1 elektrisch isoliert ist.

In F i g. 2 hat der aus dem wärmehärtenden Harz mit geringem Kohlenstoffgehalt bestehende Überzug 3 eine gekrümmte Oberfläche, so daß der Überzug einen verlängerten Weg längs der Oberfläche

Die Erfindung wird im einzelnen an Hand von Beispielen erläutert. In diesen Beispielen bedeutet »Teil« so viel wie »Gewichtsteil«.

Beispiel 1

Für den Überzug 3 des in F i g. 1 gezeigten Stabisolaiors wurde ein Harz aus einer aus den folgenden drei Komponenten bestehenden Harzmasse hergestellt:

Diglycidylhexahydrophthalat 100 Teile

Hexahydrophthalsäure 108 Teile

Beschleuniger (Benzyldimethyl-

amin) .,,,.., 1 Teil

Das Harz wurde ausgehärtet, indem es 2 Stunden lang auf 120⁰C und anschließend 2 Stunden lang auf 200⁰C erhitzt wurde.

Außerdem wurde ein weiterer Isolator unter Verwendung eines Epoxyharzes sowie Phthalsäureanhydrid als Härter unter den gleichen Bedingungen wie oben hergestellt.

Diese Stabisolatoren wurden einem Liclftbo^enfestigkeitstest (nämlich gemäß dem;" Verfahren

Nr. K.-6911 der japanischen Industrienormen) unterworfen. Dabei zeigten sich an dem erfindungsgemäßen Stabisolator selbst nach 240 bis 300 Sekunden keine Schleifspuren, während sich an dem Stabisolator aus dem vorstehend genannten Epoxyharz nach 120 Sekunden Schleif spuren bildeten.

Beispiel 2

Für den Überzug 3 des in Fi g. 2 gezeigten Stabisolators wurde ein Harz aus einer härtenden Masse hergestellt, die durch eine Additionsreaktion von 90 Teilen Triailylisocyanat sowie einem Peroxyd mit 100 Teilen eines ungesättigten Polyesters erzeugt wurde, wobei der ungesättigte Polyester aus den folgenden drei Komponenten hergestellt wurde:

Propylenglykol 171 Teile

Maleinsäureanhydrid 98 Teile

Hexahydrophthalsäureanhydrid .. 158 Teile

Das Harz wurde 10 Stunden lang bei 80° C und anschließend 5 Stunden lang bei 130° C gehärtet.

Außerdem wurde ein Siabisolatcr unter Verwendung einer Harzmasse hergestellt, die durch Addieren von 43 Teilen Styrol zu 100 Teilen eines ungesättigten Polyesters erzeugt wurde, wobei der ungesättigte Polyester aus 171 Teilen Propylenglykol, 98 Teilen Maleinsäureanhydrid und 148 Teilen Phthalsäureanhydrid synthetisiert wurde.

Diese StaHsolatoren wurden einem Lichtbogenfestigkeitstest nach dem obengenannten Verfahren der japanischen Industrienormen unierwoncii. An dem erfindungsgemäßen Stabisolator zeigten sich auch nach 240 bis 280 Sekunden keine Spuren, während sich an dem Stabisolator, der unter Vervendung von in monomeren! Styrol gelösten ungesättigten Polyester hergestellt war, nach 148 Sekunden Spuren bildeten.

Die prozentuale Erholung der Lichtbogenfestigkeit betrug bei dem erfindungsgemäßen Stabisolator 85 bis 9O°/oi während sie bei dem herkömmlichen Stabisolator gleich 0 war.

Die vorstehenden Fakten beweisen, daß der erfindungsgemäße Stabisolator einen bemerkenswert guten Selbstreinigungseffekt besitzt.

ίο Die Beziehung zwischen dem Kohlenstoffgehalt und der Lichtbogenfestigkeit des wärmehärtenden Harzes ist in F i g. 3 dargestellt, wobei die Lichtbogenfestigkeit von gegossenen Harzen mit verschiedenen Kohlenstoffgehalten, die durch Verändern is der ungesättigten Polyester-Harzmassen erzeugt wurden, ermittelt wurde.

Der Kohlenstoffgehalt des im allgemeinen verwendeten ungesättigten Polyesterharzes beträgt 68 bis 70 Gewichtsprozent; durch Reduzieren des ao Kohlenstoffgehalts um ungefähr 10% läßt sich jedoch die l,7fache Lichtbogenfestigkeit (berechnet nach der Lichtbogenenergie) erzielen.

Wie oben kurz erwähnt, kann die Lichtbogenfestigkeit des vorliegenden wärmehärtenden Harzes mit geringem Kohlenstoffgehalt dadurch weiter verbessert werden, daß der Harzmasse eine geeignete Menge eines Füllstoffs zugefügt wird. In der Tabelle sind die Einflüsse des Füllstoffs auf die Lichtbogenfestigkeit dargestellt. Bei dem Lichtbogenfestigkeitstest wurden gemäß F i g. 4 die verschiedenen wärme- härier.dcn Harze 10 auf die Oberfläche 14 eines Metallstabs aufgegossen, und auf die Oberfläche wurde eine Plasmaflamme 12 aus einem Plasmagenerator 11 gerichtet, während der Stab in Richtung des Pfeiles 13 bewegt wurde.

Tabelle

Probe

Wärmeleitfähigkeit (cal/cm-sec-°Q Meßgröße

Ohne Anwendung einer Plasmaflamme

Durchschlagspannung

(kV) längs der Oberfläche**

Epoxyharz auf Bisphenolbasis

(C: 75°/₀; Füllstoff: 75%)

Epoxyharz auf Bisphenolbasis

nut 0,5 mm Teflon

Micalex

Lichtbogenfestes Epoxyharz (C: 59%)

Ohne Füllstoff

Al₁₁(OH), 33%

Al₁(OH), 50%

Al₁(OH), 60%

Pulverisierter Quarz 50%

Pulverisierter Quarz 66%

Pulverisierter Quarz 75%

. In der Tabelle bedeutet % soviel wie Gewichtsprozent.

♦) Bedingungen der Pfesma-Anwendnng:

Uhtbgenletstang ,

34 5 bis

5,1 7,9 12,2 14,9 10,4 17,1 21,9

Bedingng Uchtbogenletstang S64e8

^Oa^^tt6m^^!^^^^obe .··■■■■■■■■ BCTPggtmgsgeschwindigkeit der Probe

·♦) MeBbedingnngen:

22,6

30,2
24,3

27,1 32,9 31,5 30,2 31,7 33,7 33,8

Isolationswiderstand (il)·*

Nach Anwendung der Plasmaflamme*

Durchschlagspannung

(kV) längs der Oberfläche

Isolationswiderstand (Ω)·*

3,1	10"	<5,0
2,6	10" i	21,0
2,8	•10»	20,2
3,0	•10"	223
3,1	•10"	293
3,1	•10"	28,6
2,4	•iO"	30,9
2,1	•10"	31,2
3,4	•10"	31,6
2,4	•10"	313

2,1 · 10»

4,5 · 10" 1,8 · 10»

1,2· 10" 1,3 · 10» 2^-10" 1,1 · 10" 8,8 · 10" 2,0-1O" 1,7-10"

80 Volt, 125 Volt

301/Min.

30 mm

10 mm/Sek. in Axialrichtung

MeDefektrode

60Hz₁IaOOVoItZSdL

SOOVoIt Gteichspamrang, 1 Minute lang Entsprechend F ig. 4. _Die Lichtbogenf^eit _fd durch

iiHlü

der Plasmaflamme verglichen. Das trgeDim

wie oviciio au ι lei·». .„.. . . _o. 1 Und 2 bildet der Stabisolator eine zusammengesetzte _ aus einem metallischen Schaft eines Bürstenhalters, einem Tragelement zur Befestigung art Rahmen einer elektrischen Maschine und einem Harz; durch Hinzufügen eines Füllstoffs zu dem Harz zur Bedes Reißens infolge von Erwärmung und lassen sich sowohl die Wärmeleitfähigkeit ms aui.il Jie Lichtbogenfestigkeit des Harzes verhessern. Das Ergebnis des Tests ist in F ί g. 5 gezeigt, wobei die Lichtbogenfestigkeit von ungesättigtem ty Polyesterharz mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa — --ι . __..,„„,,„„ ,„,,,-Hi» nachdem 30

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Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 209682/366

Claims

j ι ²

S isolators leicht, und ein dielektrischer Durchschlag

Patentansprüche: tritt, wie oben erwähnt, auf. Obwohl also die her-

f kömmlichcn organischen Isolaüonsmatenalien in ihren

S 1. Stabisolator für eine umlaufende elektrische mechanischen Eigenschaften oder m ihrer elektrischen

t Maschine mit einem Bürstenhalterschaft und einem 5 Isoherfähigkeit hervorragend sind, weisen sie ganz

\ mit einem bestimmten Abstand in den Schaft unzureichende Lichtbogenfestigkeit und unzureichen-

eingefügten, in den Rahmen der Maschine ein- den Widerstand gegen Sporenbildung^Ut.

schraubbaren Tragelement, gekennzeichnet In Anbetracht dieses Standes der Technik jesteht

f durch ein Isolationsmaterial (4), das den die Aufgabe der Erfindung dann, einen Stabisolator

i- Schaft (I) mit dem Tragelement (2) zu einer Ein- io der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, der hohe

heit verbindet sowie Schaft und Tragelement Lichtbogenfestigkeit aufweist und gegen die erwähnte

} gegeneinander elektrisch isoliert und von dem Spurenbildung widerstandsfähig ist

mindestens der einem Lichtbogen ausgesetzte Die Erfinder haben zur Lösung dieser Aufgabe

ί Teil {3) aus einem wärmehärtenden Polymerharz Untersuchungen an einer großen Anzahl von Polymer-

! mit einem Verhältnis der Kohlenstoff- zu den 15 Isolationsmaterialien angestellt und gefunden, daß

Wasserstoffatomen (C/H) von 0,75 oder weniger eine Reihe von Harzen mit guter Lichtbogenfestigkeit

^l- besteht. sämtlich weniger Kohlenstoff- als Wasserstoffatome
2. Stabisolaf-T nach Anspruch 1, dadurch ge- hat. Erfindur.gsgemäß hat man daher den eingangs kennzeichnet, daß der Schaft (1) einen becher- bezeichneten Stabisolator mit einem Isolationsmatenal förmigen Verbindungsabschnitt aufweist, in den ao ausgerüstet, das den Schaft mit dem Tragelement /u das Tragelement (2) eingesetzt ist. einer Einheit verbindet sowie Schaft und Tragelement
3. Stabisolator nach Anspruch 2, dadurch ge- gegeneinander elektrisch isoliert und von dem minkennzeichnet, daß das Polymerharz des Teils (3) destens der einem Lichtbogen ausgesetzte Teil aus 59 bis 70 Gewichtsprozent Kohlenstoff enthält. einem wärmehärtenden Polymerharz mit einem Veras hältnis der Kohlensi >ff- zu den Wasserstoffatomen

(C/H) von 0,75 oder weniger besteht.

Als Ergebnis eines Versuchs, bei dem der vor-

liegende aus einem Polymer-Isolationsmaterial bestehende Stabisolator einem durch einen starken 30 Strom von 1200 Ampere bei 750 Volt erzeugten starken Lichtbogen ausgesetzt wurde, ist festgestellt

Die Erfindung bezieht sich aiif eir?n Stabisolator worden, daß nicht nur sehr viel weniger Kohlenstoff für eine umlaufende elektrische Maschine mit einem an der Oberfläche abgesondert wird, sondern auch Bürstenhalterschaft und einem mit einem bestimmten die Oberfläche dieses Isolationsmaterials durch den Abstand in den Schaft eingefügten, in den Rahmen 35 Lichtbogen leicht bespratzt wird, und daß an der der Maschine einschraubbaren Tragelement. Oberfläche während des Betriebs angelagerte Staub-

Für einen derartigen Stabisolator sind nicht nur partikeln gleichzeitig abgespratzt werden können, gute elektrische und mechanische Eigenschaften erfor- was dazu führt, daß eine frische Isolations-Oberfläche derlich, sondern er muß auch eine ausreichende freigelegt wird. Somit lassen sich die dielektrischen l.ichtbogenfestigkeit aufweisen, wenn eine Bürste 40 Eigenschaften und die Lichtbogenfestigkeit beinahe einen Stromkollektor gleitend berührt oder ein starker halb permanent erhalten, wie gewünscht. Dieses Lichtbogen durch einen Überschlag erzeugt wird. Phänomen scheint darauf zu beruhen, daß dann,

Bisher sind gewöhnlich Isolatoren aus Porzellan wenn das Isolationsmaterial dem Lichtbogen aus- oder sonstigen anorganischen Stoffen verwendet gesetzt wird, flüchtiger Kohlenstoff oder Oxyde des worden (vgl. die USA.-Patentschrift 2 451 969). Por- 45 Kohlenstoffs zerspratzt werden, zellanisolatoren werden leicht beschädigt, während Eine derartige Selbstreinigungswirkung beobachtet

andere anorganische Materialien gelegentlich zu einer man zwar auch bei Verwendung von fluoriertem beträchtlich rauhen Oberfläche neigen, da die Ober- Harz, wie es gemäß der USA.-Patentschrift 2897386 fläche, wenn sie einem starken Lichtbogen ausgesetzt für isolatoren verwendet wird; dieses fluorierte Harz wird, schmilzt, die Glaskomponente an der Oberfläche 50 hat jedoch Nachteile, die unter anderem darin beschaumig und wieder fest wird und infolgedessen die stehen, daß das Harz geringe mechanische Festigkeit Oberfläche in einen hygroskopischen oder leicht aufweist und sehr teuer ist, daß es sich schwierig Schmutz aufnehmenden Zustand gerät; der Wider- mit Metall oder einem weiteren Isolationsmatenal stand gegen Spurenbildung an der Oberfläche ver- verbinden läßt und daß leicht ein Reißen oder Schälen mindert sich, und es treten leicht Überschläge an 55 des Harzes auftritt, wenn es als Beschichtungsmaterial der Oberfläche auf. verwendet wird.