Elektrischer Apparat und Verfahren zu seiner Herstellung

Abstract

 Die Erfindung geht aus von einem elektrischen Apparat mit einem von einer Wicklung umgebenen magnetischen Kern, welche in einen mit anorganischen Füllstoffen angereicherten Kunststofformstoff (1) eingebettet sind. Die Wicklung weist Anschlussarmaturen (4) auf, welche von dem Kunststofformstoff (1) getragen werden.
Der Kern und die Wicklung sollen unmittelbar und rissfrei in den Kunststofformstoff (1) eingebettet sein. Ein Verfahren zur Herstellung dieses elektrischen Apparates soll angegeben werden. Das spaltfreie Einbetten des Kernes und der Wicklung wird dadurch erreicht, dass der Kunststofformstoff (1) so gestaltet wird, dass er einen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, dessen Wert zwischen dem des Ausdehnungskoeffizienten der Wicklung und dem des Ausdehnungskoeffizienten des Kernes liegt.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung geht aus von einem elektrischen Apparat gemäss dem ersten Teil des Anspruchs 1 und von einem Verfahren zu dessen Herstellung.

[0002] Elektrische Apparate mit magnetischen Kernen, die von einer aus elektrisch leitendem Material gebildeten Wick­lung umgeben sind, lassen sich unter Verwendung herkömm­licher Giessharzformstoffe nicht rissfrei in einen Kunst­stofformstoff einbetten. Die Ursache hierfür liegt in den stark unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des Kern- und Wicklungsmaterials einerseits und des Kunststofformstoffs andererseits. Es ist deshalb üblich, um den magnetischen Kern eine kompressible Polsterung anzubringen, welche innere Spannungen infolge Reaktions- ­und Abkühlungsschwindung der Giessharzformstoffe aufneh­men und so eine Rissbildung verhüten kann. Bei einer Drossel muss jedoch die vergleichsweise hohe Verlust­ wärme des Eisenkernes abgeführt werden können. Die Polste­rung des Eisenkernes würde in diesem Fall die Abfuhr der Verlustwärme stark behindern. Für Drosseln ist diese aufwendige Bauart nur für vergleichsweise kleine Bau­grössen und Einheitsleistungen geeignet. Auch für Wandler ist diese Bauart wegen der nötigen umfangreichen manuellen Arbeiten unwirtschaftlich.

[0003] Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, einen gattungsgemässen elektrischen Apparat zu schaffen, bei welchem Kern und Wicklung unmittelbar und rissfrei in einen Kunststofformstoff eingebettet sind, und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben.

[0004] Der Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass auf­wendige manuelle Arbeiten eingespart werden können. Ferner erlaubt der innige Kontakt zwischen Kern und Kunststofformstoff und zwischen Wicklung und Kunststoff­formstoff eine gute Wärmeabfuhr und damit eine bessere Auslastung der verwendeten Materialien sowie eine wirt­schaftlichere Ausgestaltung des elektrischen Apparates. Das Herstellungsverfahren ist einfach und benötigt neben den üblichen Einrichtungen für das Vergiessen von Giess­harzen unter Vakuum keine zusätzlichen Hilfseinrich­tungen.

[0005] Die weiteren Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegen­stände der abhängigen Ansprüche.

[0006] Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert.

[0007] Es zeigt:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform enes erfindungsgemäs­sen elektrischen Apparates, und

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungs­gemässen elektrischen Apparates.

[0008] Bei beiden Figuren sind gleich wirkende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

[0009] In Figur 1 ist ein Stromwandler dargestellt, wie er in Mittelspannungsnetzen eingesetzt werden kann. In einen Kunststofformstoff 1 ist eine Primärwicklung 2 mit mehreren Windungen aus Flachkupfer eingebettet. Die Primärwicklung 2 wird teilweise umfasst von einer Kernanordnung 3. Diese Kernanordnung 3 kann aus mehreren magnetischen Kernen nebeneinander bestehen oder, wie dargestellt, aus einem Kern. Jeder dieser Kerne bzw. der eine Kern ist von Sekundärwicklungen umgeben, die nicht dargestellt sind. In einem ebenfalls nicht gezeig­ten Klemmenkasten können die Enden der Sekundärwicklungen mit Enden von weiterführenden Messleitungen verbunden werden. Jedes Ende der Primärwicklung 2 steht in Verbin­dung mit jeweils einer in den Kunststofformstoff 1 einge­betteten Anschlussarmatur 4, welche einen Anschlussbol­zen 5 trägt. Die Primärwicklung 2 und die Kernanordnung 3 sind spaltfrei in den Kunststofformstoff 1 eingebettet. Bei betrieblich bedingten Temperaturschwankungen treten keine Risse in dem Kunststofformstoff 1 auf. Dies wird dadurch erreicht, dass der Kunststofformstoff 1 so aufge­baut wird, dass er einen angepassten Ausdehnungskoeffizien­ten aufweist, der zwischen dem Ausdehnungskoeffizienten des Materials der Primärwicklung 2 und dem der Kernan­ordnung 3 liegt. Damit liegen die drei Ausdehnungskoeffi­zienten vergleichsweise nahe beeinander, so dass bei Erwärmungszyklen keine zu Risse führenden inneren Span­nungen in diesem Stromwandler auftreten können.

[0010] In den Kunststofformstoff 1 sind mehr als 75 Gewichtspro­zent anorganische, isolierende Füllstoffe eingelagert, um so den angepassten Ausdehnungskoeffizienten zu er­halten. Diese Füllstoffe sind überwiegend als Granulat ausgebildet und enthalten ferner ein Gemenge aus Kugel­körpern und eine weitere, teilweise faserförmig ausge­bildete Komponente. Das Granulat wird aus Quarzgut ge­bildet und die teilweise faserförmig ausgebildete Kompo­nente aus Wollastonit. Die Kugelkörper sind aus E-Glas gefertigt und weisen eine sich teilweise mit dieser Teilchengrösse des Granulats aus Quarzgut überlappende Teilchengrösse auf. In dem Kunststofformstoff 1 beträgt das Verhältnis vom Granulat zu den Kugelkörpern aus E-Glas und zu der aus Wollastonit gebildeten Komponente in Gewichtsprozenten nahezu 3 : 1 : 2,4.

[0011] In Figur 2 ist eine Drossel mit einer zweiteiligen magne­tischen Kernanordnung 3 dargestellt. Einen Schenkel der Kernanordnung 3 umgibt eine Wicklung 7, wobei die Wicklung 7 und ein Teil der Kernanordnung 3 gemeinsam spaltfrei in einen Kunststofformstoff 1 eingebettet sind. Jedes Ende der Wicklung 7 steht in Verbindung mit einer vom Kunststofformstoff 1 getragenen Anschluss­armatur 4 mit jeweils einer Bohrung 8, welche zum An­schliessen von Stromzuführungen verwendet werden kann. Die Kernanordnung 3 weist einen Spalt 9 auf, welcher als Luftspalt ausgebildet oder mit dem Kunststofformstoff 1 gefüllt sein kann. Nicht dargestellt sind Teile, welche die Drossel mechanisch abstützen und tragen, eine Platte 10 deutet diese Elemente an. Derartige Drosseln können auf die verschiedensten Arten ausgeführt sein, so können z.B. auch weitere Bereiche der Kernanordnung 3 umwickelt sein, ferner können sie auch scheibenförmige oder auch mehrlagige Wicklungen 7 aufweisen.

[0012] Bei der Herstellung dieses elektrischen Apparates werden die Wicklung und der Kern zunächst sorgfältig entfettet, in eine Giessform eingelegt und in dieser fixiert. Aus den Füllstoffen und Giessharz wird im Verhältnis von etwa 4 : 1 eine giessfähige Formmasse gemischt. Diese Formmasse wird nach dem üblichen Vakuumgiessverfahren in die Giessform eingebracht und umschliesst dort Wicklung und Kern. Die hier verwendete Formmasse mit über 75 % Füllstoffen ist überraschenderweise giessfähig und normal verarbeitbar.

[0013] Vor dem Mischen der Formmasse werden das Granulat und die Kugelkörper in einer Mischanlage vermischt, aufge­heizt und vorgetrocknet. Dabei ist die Teilchengrösse der grössten Kugelkörper grösser als die Teilchengrösse der kleinsten Teile des Granulates, die überwiegende Menge der Kugelkörper weist jedoch eine kleinere Teilchen­grösse auf als das Granulat. Das für die Formmasse ver­wendete Giessharz stammt aus einer der Gruppen der an­hydridgehärteten Epoxidharze, der ungesättigten Polyester­harze, der Acrylharze oder der Polyurethanharze. Für elektrische Apparate, welche unter Freiluftbedingungen eingesetzt werden, werden jedoch zweckmässigerweise nur aromatenfreie Giessharze und Härter vorgesehen. Der Füllstoff Wollastonit kann bereits mit dem Giessharz und dem Härter vermischt in die Mischanlage eingebracht und dort mit den übrigen Füllstoffen zur Formmasse ver­mischt werden, er kann aber auch separat eingebracht werden. Während des gesamten Mischvorganges der Formmasse wird die Mischanlage mit Unterdruck beaufschlagt und es findet eine dauernde Entgasung der Formmasse statt, zusätzlich wird die Formmasse noch aufgewärmt.

[0014] Die Giessform wird ebenfalls vorgewärmt und unter Unter­druck mit der aufgewärmten Formmasse beschickt. Die Formmasse wird in der Giessform einem mehrere Stunden dauernden Geliervorgang unter erhöhter Temperatur unter­worfen und erstarrt dabei zum Kunststofformstoff. Dieser Kunststofformstoff umschliesst die Wicklung und den Kern spaltenfrei. Nach der Entnahme des elektrischen Apparates aus der Giessform wird dieser Kunststofformstoff unter erhöhter Temperatur mehrere Stunden nachgehärtet.

[0015] Die Formmasse wird etwa aus folgenden Bestandteilen gemischt:
43 bis 52 MT Epoxidharz,
36 bis 44 MT Härter,
    0,1 MT Beschleuniger
50 bis 80 MT Quarzgut mit der Teilchengrösse 0,355 bis 2,0 mm,
40 bis 60 MT Quarzgut mit der Teilchengrösse 0,25 bis 0,71 mm,
20 bis 30 MT Quarzgut mit der Teilchengrösse 0,125 bis 0,355 mm,
40 bis 60 MT Kugelkörper aus E-Glas mit der Teilchengrösse 0,075 bis 0,15 mm, und
55 bis 65 MT Wollastonit.

[0016] Die Füllstoffe können auch mit einem Haftvermittler verarbeitet werden, was sich insbesondere bei Freiluft­anwendungen vorteilhaft auswirkt. Das Mischen der Form­masse erfolgt bei einer Temperatur von 50 bis 60 °C, wobei der Unterdruck 100 bis 1000 Pascal betragen kann. Die mit Wicklungen und Kernen bestückte Giessform wird auf 80 °C vorgewärmt und dann unter Unterdruck von 100 bis 1000 Pascal mit der aufgewärmten Formmasse gefüllt. Der Geliervorgang erfolgt bei 80 °C und dauert mehrere Stunden, so dass die Schwindungsspannungen vorteilhaft klein gehalten werden können. Die Nachhärtung wird im Temperaturbereich von 130 bis 140 °C durchgeführt.

[0017] Der so erzeugte Kunststofformstoff weist einen Ausdeh­nungskoeffizienten von 15,5 × 0⁻⁶ K⁻¹ auf. Der Kern weist einen Ausdehnungskoeffizienten von ca. 12 × 10⁻⁶ K⁻⁶ auf und die Wicklung, beispielsweise aus Kupfer, einen solchen von 17 × 10⁻⁶ K⁻¹. Zwischen Kunststofformstoff und den in ihn spaltfrei eingebetteten Teilen ist die Differenz der Ausdehnungskoeffizienten demnach jeweils nur gering, so dass bei Temperaturschwankungen nur geringe innere Spannungen auftreten können. Damit ist sicherge­stellt, dass in dem Kunststofformstoff keine Risse auftre­ten können. Ferner können auch keine Ablösungserschei­nungen und Spaltbildungen zwischen Kunststofformstoff und den in ihn eingebetteten Teilen auftreten. Erwärmungs­verluste aus dem Kern und aus der Wicklung können, dank der innigen Verbindung, direkt über den Kunststofform­stoff abgeführt werden, was eine bessere Kühlung des elektrischen Apparates ermöglicht.

[0018] Der Füllstoff Wollastonit führt dank seiner teilweise faserförmigen Struktur zu einem Kunststofformstoff mit höherer Festigkeit als bei alleiniger Verwendung von körnigen Füllstoffen erreicht werden kann. Der hohe Füllstoffgehalt hat in der Regel eine gewisse Festigkeits­verminderung des Kunststofformstoffs zur Folge, welche hier durch den Einsatz von Wollastonit vorteilhaft kompen­siert werden kann.

Ansprüche

1. Elektrischer Apparat mit mindestens einem von minde­stens einer Wicklung aus elektrisch leitendem Material umgebenen magnetischen Kern, mit Anschlussarmaturen (4), die mit Enden der mindestens einen Wicklung in Verbindung stehen, mit einem isolierenden, mit anorganischen Füllstoffen angereicherten Kunststoff­formstoff (1) in welchen die mindestens eine Wicklung und der mindestens eine Kern eingebettet sind und welcher die Anschlussarmaturen (4) trägt, dadurch gekennzeichnet,
- dass die mindestens eine Wicklung und der mindestens eine Kern spaltfrei in den Kunststofformstoff (1) eingebettet sind, und
- dass der Kunststofformstoff (1) einen Ausdehnungs­koeffizienten aufweist, dessen Wert zwischen dem des Ausdehnungskoeffizienten des Materials der mindestens einen Wicklung und dem des Ausdehnungs­koeffizienten des mindestens einen Kernes liegt.

2. Elektrischer Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet,
- dass in den Kunststofformstoff (1) mehr als 75 Gewichtsprozent Füllstoffe eingelagert sind, welche überwiegend als Granulat ausgebildet sind,
- dass die Füllstoffe ein Gemenge aus Kugelkörpern enthalten, und
- dass in den Füllstoffen eine teilweise faserförmig ausgebildete Komponente enthalten ist.

3. Elektrischer Apparat nach Anspruch 2, dadurch gekenn­zeichnet,
- dass das Granulat aus Quarzgut gebildet wird,
- dass die Kugelkörper aus E-Glas gefertigt sind, und
- dass die teilweise faserförmig ausgebildete Komponente aus Wollastonit gebildet wird.

4. Elektrischer Apparat nach Anspruch 3, dadurch gekenn­zeichnet,
- dass das Verhältnis vom Granulat aus Quarzgut zu den Kugelkörpern aus E-Glas und zu der aus Wollasto­nit gebildeten Komponente in Gewichtsprozenten nahezu 3 : 1 : 2,4 beträgt, und
- dass das Granulat aus Quarzgut eine sich teilweise mit der Teilchengrösse der Kugelkörper aus E-Glas überlappende Teilchengrösse aufweist.

5. Verfahren zur Herstellung des elektrischen Apparates nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­zeichnet,
- dass aus den Füllstoffen und Giessharz im Verhält­nis von etwa 4 : 1 eine giessfähige Formmasse ge­mischt wird, und
- dass der mindestens eine von der mindestens einen Wicklung umgebene Kern in eine Giessform eingelegt und mit der Formmasse umgossen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
- dass vor dem Mischen der Formmasse das Granulat und die Kugelkörper vermischt, aufgeheizt und vorge­trocknet werden, wobei die Teilchengrösse der grössten Kugelkörper grösser ist als die Teilchengrösse kleinster Teile des Granulates und die überwiegende Menge der Kugelkörper eine kleinere Teilchengrösse aufweist als das Granulat.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
- dass während des gesamten unter Unterdruck durchge­führten Mischens eine Entgasung und eine Aufwärmung der Formmasse stattfindet.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
- dass das für die Formmasse verwendete Giessharz aus einer der Gruppen der anhydridgehärteten Epoxid­harze, der ungesättigten Polyesterharze, der Acryl­harze und der Polyurethanharze stammt.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 5 bis 8, dadurch gekenn­zeichnet,
- dass die Giessform vorgewärmt und unter Unterdruck mit der aufgewärmten Formmasse beschickt wird,
- dass die Formmasse anschliessend einem mehrere Stunden dauernden Geliervorgang unter erhöhter Temperatur unterworfen wird, und
- dass nach dem Erstarren der Formmasse zum Kunst­stofformstoff (1) und nach der Entnahme des elektri­schen Apparates aus der Giessform, dieser Kunst­stofformstoff (1) unter erhöhter Temperatur nachge­härtet wird.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 5 bis 9, dadurch gekenn­zeichnet,
- dass die Formmasse etwa aus folgenden Bestandteilen gemischt wird:
    43 bis 52 MT Epoxidharz,
    36 bis 44 MT Härter,
      0,1 MT Beschleuniger,
    50 bis 80 MT Quarzgut mit der Teilchengrösse 0,355 bis 2 mm,
    40 bis 60 MT Quarzgut mit der Teilchengrösse 0,25 bis 0,71 mm,
    20 bis 30 MT Quarzgut mit der Teilchengrösse 0,125 bis 0,355 mm,
    40 bis 60 MT Kugelkörper aus E-Glas mit der Teilchen­grösse 0,075 bis 0,15 mm, und
    55 bis 65 MT Wollastonit.

Zeichnung