Verfahren zur Herstellung einer in eine Vergussmasse eingebetteten Draht- oder Folien-Wicklung und für das Verfahren verwendbares Wicklungsmaterial

Abstract

 Verfahren zur Herstellung einer in eine Vergußmasse eingebetteten Draht- oder Folien-Wicklung für Transformatoren, Drosseln, Magnetspulen oder dergleichen, bei dem das für die Herstellung der Wicklung bestimmte, metallische Wicklungsmaterial auf einem Teil seiner Oberfläche abschnittsweise oder durchgehend mit Erhöhungen versehen wird, die gleichmäßig über die Länge verteilt sind und aus einem Material bestehen, das gegenüber der nicht-erstarrten Vergußmasse beständig ist. Das Wicklungsmaterial wird anschließend zu einer Wicklung verarbeitet und in die erstarrende Vergußmasse eingebettet. Die Erfindung betrifft außerdem Wicklungsmaterial (Draht oder Folie), bei dem auf einem Teil der Oberfläche ein gleichmäßig über die Länge verteilter Belag aufgebracht ist, der durchgehende oder abschnittsweise Erhöhungen hervorruft und aus einem Material besteht, das gegenüber der nicht-erstarrten Vergußmasse beständig ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer in eine Vergußmasse eingebetteten Draht-oder Folien-Wicklung für Transformatoren, Drosseln, Magnetspulen oder dergleichen. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf Wicklungsmaterial (Draht oder Folie) für derartige Wicklungen aus einem leitfähigen Metall, gegebenenfalls versehen mit einer Oberflächen-Lackisolierung.

[0002] Es ist seit längerer Zeit bekannt, Hochspannungs- und Niederspannungswicklungen sogenannter Gießharztransformatoren aus Kupfer- oder Aluminiumdraht zu wickeln und unter Vakuum in Vergußmassen einzugießen. Derartige Vergußmassen bestehen üblicherweise aus Epoxidharzen, die entweder rein sind oder z. B mit Quarzpulver oder Glasfaserflock gefüllt sind. Bei derartigen Wicklungen - entsprechendes gilt für Drosseln und Magnetspulen - wird angestrebt, daß sogenannte Sprüherscheinungen, also unerwünschter Ladungsaustausch über die Isolierung, erst bei höheren Spannungen auftreten als bei nicht eingegossenen Wicklungen. Diese Spannung liegt um so höher, je homogener das Dielektrikum zwischen den Wicklungsteilen, dem Kern und dem Gehäuse ist. Auf die Höhe der Spannung, bei der Sprüherscheinungen auftreten, wirken sich insbesondere Lufteinschlüsse, Spalte, Risse, Lunker,

[0003] Lösungsmittelreste und Verschmutzungen in der Vergußmasse negativ aus.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist es, das bekannte Verfahren zur Herstellung von in Vergußmasse eingebetteten Wicklungen dahingehend zu verbessern, daß insbesondere die auf Lufteinschlüssen und Entmischungen im Bereich der Wicklungsoberflächen beruhenden Inhomogenitäten praktisch vollständig vermieden werden. Gleichranginge Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wicklungsmaterial anzugeben, mit dem ein derartiges Verfahren in einfacher Weise durchführbar ist.

[0005] Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art das für die Herstellung der Wicklung bestimmte matallische Wicklungsmaterial (Draht oder Folie) auf einem Teil seiner Oberfläche abschnittsweise oder durchgehend mit Erhöhungen versehen, die gleichmäßig über die Länge verteilt sind und aus einem Material bestehen, das gegenüber der nicht-erstarrten Vergußmasse beständig ist. Anschließend wird das Wicklungsmaterial zu einer Wicklung verarbeitet und in die erstarrende Vergußmasse eingebettet. Die letztgenannten Verfahrensschritte sind an sich bekannt.

[0006] Durch die Dicke und Verteilung der Erhöhungen kann die Distanz des gewickelten Materials und/oder können die mit Vergußmasse zu füllenden Zwischenräume innerhalb der Wicklung variiert werden.

[0007] Für Spulen geringerer Leistung können die Erhöhungen, ähnlich wie dies bei sogenannten Beton-Rippenstählen bekannt ist, aus dem Material der Drähte selbst herausgewalzt werden. Derartige Rippen sind in mannigfachen Abwandlungen bekannt. Der Rippendraht muß vor der Verarbeitung mit einem Isolationslack getränkt werden.

[0008] Insbesondere für höherbelastbare Wicklungen wird die Erfindungslösung ermöglicht durch ein Wicklungsmaterial (Draht oder Folie), bei dem auf einem Teil der Oberfläche ein gleichmäßig über die Länge verteilter Belag aufgebracht ist, der durchgehende oder abschnittsweise Erhöhungen hervorruft und aus einem Material besteht, das gegenüber der nicht-erstarrten Vergußmasse beständig ist.

[0009] Der erhöhungserzeugende Belag kann beispielsweise aus körnigen, stäbchenförmigen oder flockigen Teilchen bestehen, beispielsweise aus kompakten Quarzteilchen oder Glas-Faserflocken, die nicht-leitend sind, so daß der eigentliche Leiter seine geschlossene Form behält.

[0010] Andererseits ist möglich, daß wenigstens ein Faserstrang oder ein Band um das Wicklungsmaterial straff herumgewendelt wird. Es empfiehlt sich, sowohl bei Verwendung von Teilchen als auch langen Strängen das Material dieser Beläge so zu wählen, daß es gegenüber der nicht-erstarrten Vergußmasse lyophil ist, d. h. die Flüssigkeit anzieht und gut an die Oberflächen kriechen läßt.

[0011] Das Verfahren gemäß Erfindung eignet sich sowohl für gießharzgetränkte Transformatoren und Drosseln; es ist jedoch auch von Bedeutung für die Herstellung von sehr exakt zu vermessenden Magnetspulen, wie sie beispielsweise bei supraleitenden Magneten gefordert werden.

[0012] Das Verfahren bzw. das Wicklungsmaterial ermöglichen es, daß das Bettungsmaterial, üblicherweise quarzgefülltes Epoxidharz, auch bei straff aufeinandergewickelten Drähten oder Folien an der Oberfläche entlang fließen und kriechen kann, wobei durch die Erhöhungen ein Abstand zwischen den Drähten gehalten ist, so daß eine Hinleitung an alle zu benetzenden Oberflächenbereiche erfolgen kann.

[0013] Wird ein Wicklungsmaterial mit einer Lackisolierung verwendet und werden die Drähte bzw. Folien fest gegeneinander gewickelt, so kann das flüssige Einbettungsmittel nur schwer in die Zwischenräume im Bereich der Wicklungslagen eindringen. Auch bei einem Vergießen unter Vakuum kommt es zur Entmischung und zur Lunkerbildung im Bereich der Leiterdrähte und -folien. Durch eine definierte Abstandseinstellung zwischen den Leitern mit Hilfe der aufzubringenden Erhöhungen auf den Leiteroberflächen werden diese Erscheinungen unterdrückt. In vielen Fällen kann auf eine zusätzliche Lackisolierung überhaupt verzichtet werden.

[0014] Die Haftung zwischen dem Gießharzgemisch und dem mit einer Lackisolation versehenen Wicklungsmaterial ist auch nicht immer ausreichend. Wegen der verschiedenen Ausdehungskoeffizienten von Isolationslack und Gießharz können Haarrisse an der Grenzfläche entstehen, die Inhomogenitäten des Dielektrikums hervorrufen. Das Fortlassen der Lackisolierung bringt daher im Sinne der Erfindung eine wesentliche Verbesserung.

[0015] In diesem Zusammenhang ist bekannt (DE-OS 1 948 848), Spulenwicklungen mit Abstandsmitteln zu versehen, die überwickelt werden und die kanalartige Hohlräume schaffen,.die mit dem Raum außerhalb der Wicklung in Verbindung stehen und eine vollständige Durchdringung der Wicklung mit Vergußmasse gewährleisten sollen. Isolierschicht und Abstandsmittel sollen sich innig mit der Vergußmasse verbinden. Derartige Abstandsmittel sind jedoch sehr umständlich in die Wicklung beim Wickelvorgang einzubringen und eignen sich nur für die Verwendung von Spulenwicklungen. Im Gegensatz dazu ist es bei den Gegenständen der Erfindung nicht erforderlich, bekannte Verfahrensschritte zur Herstellung von Wicklungen wesentlich zu ändern, da das mit Erhöhungen versehene Wicklungsmaterial vor dem Wickeln angefertigt und in gleicher Weise eingesetzt werden kann wie das unbehandelte Wicklungsmaterial; außerdem ist das Wickelverfahren sowohl für Spulenwicklungen als auch für Lagenwicklungenverwendbar.

[0016] Kriterien für die Auswahl des Materials, aus dem die Erhöhungen bestehen, sind insbesondere die leichte Benetzbarkeit (Lyophilität) und Wärmebeständigkeit gegenüber der nicht-erstarrten Vergußmasse. Diese Kriterien lassen eine große Anzahl verschiedener Materialien zu Herstellung der Erhöhungen zu. Vom Preis und von der Verfügbarkeit her wird im allgemeinen einem feinen, gesponnenen Glasfaserstrang oder -band der Vorzug gegeben. Es ist aber auch möglich, wärmebeständige Kunststoffe zu verwenden, beispielsweise Polyterephtalatsäure-Ester oder wärmebeständige Polyamine. Die Bänder können z. B. gewebt, gewirkt oder auch aus Vliesstoffen hergestellt sein. Anstelle von Glasfasern können auch beispielsweise Glaskeramik,Gesteins- oder Textilfasern verwendet werden.

[0017] Anstelle von Fasersträngen können auch körnige, stäbchenförmige oder flockige Teilchen verwendet werden, wobei sich hier ebenfalls nicht-leitende Materialien, wie Quarzkörner, Faserflock oder dergleichen anbieten.

[0018] Wesentlich ist, daß die Erhöhungen, insbesondere Faserstränge, die Drahtoberfläche nicht vollständig einhüllen, etwa wie eine seidenumsponnene Instrumentensaite, sondern z. B. eine Art locker gewirkten Strumpf bilden, bei dem zwischen den einzelnen Fasersträngen immer Oberflächenbereiche frei sind. Die Belegungsdichte kann aber selbstverständlich variiert werden.

[0019] üblicherweise wird eine aus mehreren, vorzugsweise zwei, Fasersträngen gewendelte strumpfartige Hülle hergestellt, wobei sich die Faserstränge jeweils kreuzen.

[0020] Es ist auch möglich, das für die Belegung bestimmte Material (Faserstränge, Band, Flock usw.) vor oder während des Belegens mit einem Isolations- oder Klebelack zu tränken, der das Material auf der Oberfläche des Wicklungsmaterials in Stellung hält.

[0021] Bei den gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Wicklungen treten in der Nähe der Oberfläche des Wicklungsmaterials praktisch keine der Lunker- oder Vakuolen auf, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Insbesondere bei mit Quarzmehl oder Glasfaserflock gemischtem Gießharz tritt keine Entmischung an der Oberfläche auf. Die Haftung zwischen dem Gießharzgemisch, die bei den Leitern gemäß Stand der Technik aufgrund der verschiedenen Ausdehungskoeffizienten von Lackisolation und Gießharz beobachtet wurde, kann ebenfalls praktisch völlig unterdrückt werden. Haarrißbildungen können vermieden werden. Insbesondere kann auch auf das vorherige Isolieren der Leiter verzichtet werden.

[0022] Weitere Eigenschaften, auf die sich auch die Unteransprüche beziehen, werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Die Figuren zeigen im einzelnen:

Figur 1 als erstes Ausführungsbeispiel einen Wicklungsdraht mit einem über die Länge verteilten Faserstrang;

Figuren 2 a/2b eine Wicklung im Schnitt nach dem Stand der Technik und nach dem neuen Verfahren;

Figur 3 einen Flachdraht mit einem aufgelegten Faserband;

Figur 4 eine aus körnigen Teilchen gebildete Erhöhung auf einem Wicklungsdraht;

Figur 5 einen Wicklungsdraht mit Rippen;

Figur 6 eine andere Querschnittsform für den Wicklungsdraht.

[0023] Figur 1 zeigt in vergrößerter Darstellung einen Wicklungsdraht 1, dessen leitfähiges Grundmaterial insbesondere Kupfer oder Aluminium ist; für die Herstellung von supraleitenden Magnetspulen sind auch andere Materialien bekannt, die einen relativ hochliegenden Sprungpunkt haben. Der Draht ist im Ausführungsbeispiel mit einer dünnen Lackisolierung 2 umhüllt. Ferner sind strumpfartig, dabei gleichmäßig über die Länge verteilt, zwei etwa 0,02 bis 0,05 mm starke Faserstränge 3 aus einem Glasfasergespinst in Wendelform sich periodisch kreuzend um den Draht herum gesponnen oder -gelegt. Dabei wird der größere Teil der Oberfläche des Drahtes 1 freigelassen. Die Glasfaserstränge sind gegenüber der nicht-erstarrten Vergußmasse (Epoxidharz mit Quarzfüllung als Beispiel) wärmebeständig und flüssigkeitsannehmend (lyophil), so daß entlang den Fasersträngen 3 eine gleichmäßige Verteilung der einfließenden Vergußmasse erfolgt. Einen Teil der Oberfläche des Drahtes ist demnach mit Erhöhungen versehen, die gleichmäßig über die Länge verteilt sind. Durch die Auswahl der Dicke und Verteilung der Erhöhungen können die Distanz des gewickelten Materials und auch die Gestaltung der mit Vergußmasse zu füllenden Zwischenräume innerhalb der Wicklung variiert werden.

[0024] Die Figuren 2 a und 2 b zeigen einen Schnitt durch einen Teil der Wicklung. Es ist erkennbar, daß bei eng aufeinanderliegenden Drähten 1 eine sehr dichte Packung entsteht, wobei in die Zwischenräume zwischen den Drähten nur sehr schwer das Vergußmaterial eindringen kann. Werden dagegen die Drähte 1 durch Erhöhungen (hier Faserstränge 3) in einem geringen Abstand gehalten, so kann entlang diesen Fasersträngen und der von ihnen gebildeten Kapillaren das Gießmaterial ohne Entmischung eindringen.

[0025] In Figur 3 ist ein Stück eines für eine Wicklung geeigneten Flachdrahtes 5, der praktisch die Gestalt einer Folie hat, aus leitfähigem Material dargestellt, beispielsweise aus Aluminium. Dieses Wicklungsmaterial, das ohne Lackisolierung hergestellt ist, soll ebenfalls in Wicklungsform in eine Epoxidharz-Vergußmasse eingebettet werden. Es ist mit zwei gewirkten Faserbändern 6, 6' wendelförmig umwickelt. Auch hier bleibt der größere Teil der Drahtoberfläche frei. Bei diesem Beispiel besteht das Fasermaterial der Faserbänder aus hitzebeständig eingestellter Polyterephtalatsäureäthylester-Faser.

[0026] Der aus der Figur 3 ersichtliche Abstand a zwischen benachbart parallel liegenden Faserbändern liegt etwa zwischen dem ein- bis zehnfachen der Belagbreite b, wobei jeweils von Außenkante zu Außenkante gemessen wird. Die Faserstränge haben beispielsweise einen Durchmesser von 0,02 - O,5 mm, bei Bändern wird eine Dicke in dieser Größenordnung gewählt, wobei die Breite zwischen 1 und 4 mm liegen kann. Diese Angaben sollen jedoch nicht einschränkend verstanden werden, sondern nur eine Vorstellung vermitteln, welche Abmessungen bei gängigen Drahtdurchmessern (1 - 4 mm) gewählt werden können.

[0027] Es ist auch möglich, den Faserstrang oder das Faserband 6 vor oder während des Belegens mit einem Klebelack zu tränken und anschließend mit dem Draht zu verkleben.

[0028] Schließlich sei noch darauf hingewiesen, daß die sogenannte Drall-Länge bei den Ausführungsbeispielen gemäß Figur 1 und 3 vorzugsweise zwischen 3 und 10 mm liegt, wenn der ausgestattete Draht einen Durchmesser zwischen 1 und 4 mm hat. Als Drall-Länge bezeichnet man den kleinsten Abstand zweier Punkte der strumpfartigen Einhüllung des Drahtes, an denen sie die gleiche gegenseitige Lage einnehmen, bezogen auf die Drahtachse.

[0029] Figur 4 zeigt eine Ausführungsform, bei der erhöhungserzeugende Beläge aus körnigen bzw. stäbchenförmigen Teilchen 8 gebildet sind, die im Mittel gleichmäßig über die Oberfläche des Wicklungsmaterials verteilt sind. Die Verteilung geschieht beispielsweise durch eine Tränkung einer entsprechenden Klebemittel-Suspension mit den genannten Teilchen 8. Die Teilchen können beispielsweise kompakte Quarzteilchen oder kurzstapliges Faserflock sein. Sie bestehen vorzugsweise aus nicht-leitendem Material.

[0030] Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein gerippter Draht 9 mit an der Außenseite liegenden Drahtrippen 10 verwendet ist, wobei letztere die Erhöhungen bilden, die gleichmäßig über die Länge verteilt sind. Wegen der sich dadurch ergebenden relativ starken Inhomogenitäten an der Drahtoberfläche wird diese Ausführungsform nur bei Spulen geringer Leistung oder für Sonderausführungen verwendet.

[0031] Abweichend von runden oder flachen Drähten bzw. Folien ist es auch möglich, den Durchmesser der Drähteipolygonal zu gestalten (vgl. Figur 6), wobei eine dichter gepackte Wicklung erreichbar ist. Auch hier sorgen beispielsweise kurze Faserstränge 11, die auf der Oberfläche gleichmäßig verteilt sind, für die Möglichkeit, zwischen den Drähten in der Wicklung Abstand zu halten. Außerdem besteht die Möglichkeit, daß bei der Wicklung so vorgegangen wird, daß jeweils paarig ein glatter und ein mit Erhöhungen versehener.Draht verwendet wird, so daß die Erhöhungen nur auf einem Draht oder einer Folie zu finden sind. Auch durch diese Ausführungsform ist die Lösung der Erfindung möglich. Verallgemeinert kann gesagt werden, daß wenigstens ein Teil des für die Herstellung der Wicklung bestimmten, metallischen Wicklungsmaterials auf einem Teil seiner Oberfläche mit Erhöhungen versehen sein muß, um die erfinderische Wirkung hervorzurufen.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer in eine Vergußmasse eingebetteten Draht- oder Folien-Wicklung für Transformatoren, Drosseln, Magnetspulen oder dergleichen, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens ein Teil des für die Herstellung der Wicklung bestimmten, metallischen Wicklungsmaterials (Draht 1, Folie 5) auf einem Teil seiner Oberfläche abschnittsweise oder durchgehend mit Erhöhungen versehen wird, die gleichmäßig über die Länge verteilt sind und aus einem Material bestehen, das gegenüber der nicht-erstarrten Vergußmasse beständig ist,

und dadurch , daß

das Wicklungsmaterial anschließend zu einer Wicklung verarbeitet und in die erstarrende Vergußmasse eingebettet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanz des gewickelten Materials und/oder die mit Vergußmasse zu füllenden Zwischenräume innerhalb der Wicklung durch die Dicke und Verteilung der Erhöhungen variiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhungen der Oberfläche aus dem Wicklungsmaterial herausgewalzt werden.

4. Wicklungsmaterial (Draht oder Folie) für Transformator-, Drossel-, Magnetspulen und dergleichen, aus einem leitfähigen Metall, gegebenenfalls versehen mit einer Oberflächen-Lackisolierung, dadurch gekennzeichnet , daß auf einem Teil der Oberfläche des Wicklungsmaterials ein gleichmäßig über die Länge verteilter Belag aufgebracht ist, der durchgehende oder abschnittsweise Erhöhungen hervorruft und aus einem Material besteht, das gegenüber der nicht-erstarrten Vergußmasse beständig ist.

5. Verfahren bzw. Wicklungsmaterial nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein erhöhungserzeugendenBelag aus körnigen, stäbchenförmigen oder flockigen Teilchen (8), unter gleichmäßig über die Oberfläche des Wicklungsmaterials erfolgender Verteilung der Teilchen, aufgebracht wird bzw. ist.

6. Verfahren bzw. Wicklungsmaterial nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag aus kompakten Quarzteilchen (8) oder Faserflock besteht.

7. Verfahren bzw. Wicklungsmaterial nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Faserstrang (3) oder Band (6) um das Wicklungsmaterial straff herumgewendelt wird bzw. ist.

8. Verfahren bzw. Wicklungsmaterial nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Erhöhungen gegenüber der nicht-erstarrten Vergußmasse lyophil ist.

9. Verfahren bzw. Wicklungsmaterial nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Metalldrahtes (1) als Wicklungsmaterial wenigstens zwei Faserstränge parallel oder sich wendelartig periodisch kreuzend um den Draht (1) herumgelegt werden bzw. sind.

10. Verfahren bzw. Wicklungsmaterial nach Anspruch 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand a zwischen benachbart liegenden Faserstrangabschnitten oder -bändern zwischen dem ein- oder zehnfachen der Belagbreite b liegt, jeweils von Außenkante zu Außenkante gemessen.

11. Verfahren bzw. Wicklungsmaterial nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Faserstrang (3) oder Band (6) aus Glasfasern besteht.

12. Verfahren bzw. Wicklungsmaterial nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserstrang (3) oder das Band (6) aus einem polymeren, organischen Kunststoff, z. B. Polyterephtalatsäure-Ester, besteht.

13. Verfahren bzw. Wicklungsmaterial nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserstrang (3) oder das Band (6) vor oder während des Belegens mit klebender Masse imprägniert wird bzw. ist.

14. Verfahren bzw. Wicklungsmaterial nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserstrang (3) oder das Band (6) mit dem Isolationslack verklebt wird bzw. ist.

15. Verfahren bzw. Wicklungsmaterial nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Wicklungsmaterial im Querschnitt rund, flach oder polygonal ist.

Zeichnung