DE102005017112A1

DE102005017112A1 - Feuchtigkeitsabweisende Schutzschicht für einen Wickelkopf einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102005017112A1
Application number: DE102005017112A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr. Klaussner; Alexander MÄURER
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-04-13
Filing date: 2005-04-13
Publication date: 2006-10-26
Also published as: WO2006108814A1; US20080299359A1; CN101156296B; CN101156296A

Abstract

Die Schutzschicht (13) ist für einen Wickelkopf einer elektrischen Maschine bestimmt. Sie besteht aus einem feuchtigkeitsabweisenden Schutzschichtmaterial, das nach dem Aufbringen auf den Wickelkopf eine nanostrukturierte Oberfläche (8) aufweist, so dass ein Wasserkontaktwinkel von mindestens 120 DEG resultiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzschicht für einen Wickelkopf einer elektrischen Maschine.
Eine derartige Schutzschicht ist zur elektrischen Isolation, zum mechanischen oder chemischen Schutz oder zum Schutz vor Feuchtigkeit am Wickelkopf einer beispielsweise als elektrodynamischer Motor oder Generator ausgeführten elektrischen Maschine vorgesehen. Bekannte Schutzschichten werden mittels zum Teil mehrfacher Imprägnierung mit Tränkharzen und Tränklacken oder mittels eines Vergusses mit anorganisch gefüllten Tränkharzen (= Gießharz) hergestellt.

In der DE 31 33 734 C2 wird eine Schutzschicht aus einem harten Überzug aus einem siliziumorganischen Elastomer, wie einem organomodifiziertem bei Raumtemperatur härtbarem Silikonkautschukmaterial, beschrieben. Die bekannten Schutzschichten neigen beispielsweise bei Temperaturwechseln zur Rissbildung und zumindest bereichsweise zur Delaminierung, so dass Feuchtigkeit durch die entstehenden Risse eindringen und zu einer weitergehenden Beschädigung der elektrischen Maschine führen kann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Schutzschicht für einen Wickelkopf einer elektrischen Maschine anzugeben, die einen verbesserten Schutz vor Feuchtigkeit bietet.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. Bei der erfindungsgemäßen Schutzschicht für einen Wickelkopf einer elektrischen Maschine handelt es sich um eine solche, bei der

a) ein feuchtigkeitsabweisendes Schutzschichtmaterial vorgesehen ist, und
b) das Schutzschichtmaterial nach dem Aufbringen auf den Wickelkopf eine nanostrukturierte Oberfläche aufweist,
c) so dass ein Wasserkontaktwinkel von mindestens 120° resultiert.

Die erfindungsgemäße Schutzschicht ist aufgrund des großen Wasserkontaktwinkels sehr stark feuchtigkeitsabweisend. Aufgrund der hochgradigen Unbenetzbarkeit der nanostrukturierten Oberfläche wird die Schutzschicht insbesondere auch als superhydrophob bezeichnet. Der extreme Wasserkontaktwinkel führt dazu, dass selbst im Fall einer Rissbildung in der Schutzschicht praktisch keine Feuchtigkeit in den Riss eindringt und dort für Folgeschäden wie eine Reduzierung der dielektrischen Festigkeit, einen Abfall des Isolationswiderstands, eine Kriechwegverkürzung oder sogar einen elektrischen Durchschlag verantwortlich ist. Gleiches gilt auch für Poren in der Schutzschicht. Die Wassertropfen bleiben vielmehr an der nanostrukturierten Oberfläche und laufen dort ab.

Vorzugsweise lässt sich die erfindungsgemäße Schutzschicht in einer durchzugsbelüfteten elektrischen Maschine einsetzen, deren Wickelköpfe zumindest teilweise unmittelbar einem Kühlluftstrom ausgesetzt sind. Dadurch ergeben sich besonders hohe Schutzanforderungen hinsichtlich Feuchtigkeit, Salznebel, chemischer Substanzen und auch abrasiv wirkender Schmutzpartikel, die über den Kühlluftstrom an den Wickelkopf herangetragen werden. Die erfindungsgemäße Schutzschicht bietet gegenüber diesen Umwelteinflüssen einen sehr guten Schutz. So verhindert sie ein Anhaften auch von anderen Flüssigkeiten, wie z.B. von Ölen, und von Schmutzpartikeln. Diese Fremdkörper können vielmehr mittels des Kühlluftstroms wieder aus der elektrischen Maschine hinausbefördert werden.

Die erfindungsgemäße Schutzschicht erleichtert darüber hinaus die Reinigung der beschichteten Oberflächen, wodurch sich die Verwendung chemisch aggressiver Reinigungsmittel erübrigt. Dadurch steigt die Lebensdauer der Schutzschicht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schutzschicht ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.

Günstig ist eine Variante, bei der die Oberfläche doppelt strukturiert ist. Neben der Nanostruktur weist die Oberfläche dann also eine weitere Struktur, beispielsweise eine Mikrostruktur auf. Dadurch wird der Wasserkontaktwinkel zusätzlich vergrößert. Werte von 150° und mehr sind so zu erzielen. Selbst ein Wasserkontaktwinkel von 170° lässt sich auf diese Weise realisieren.

Gemäß einer anderen Variante weist das Schutzschichtmaterial elektrisch isolierendes Verhalten auf. Dies ist insbesondere deshalb von Vorteil, weil der zu beschichtende Wickelkopf der elektrischen Maschine elektrisch aktive Leiteranordnungen umfasst. Dies bedeutet, dass die Leiteranordnungen während des Betriebs der elektrischen Maschine Strom führen und unter Spannung stehen. Bei der elektrisch isolierenden Variante kann dann auf eine ansonsten zusätzlich vorgesehene Isolation verzichtet werden. Dies senkt die Herstellungskosten.

Vorzugsweise ist das Schutzschichtmaterial mit einem Basismaterial aus einem Silikonkautschuk, einem Polyesteremid oder einem ungesättigten Polyesterharz hergestellt.

Insbesondere enthält das Schutzschichtmaterial oberflächenmodifizierte perfluorierte Partikel, beispielsweise in Form perfluorierter Verbindungen, die insbesondere dem vorstehend genannten Basismaterial zugesetzt sind.

Bevorzugt haben die oberflächenmodifizierten perfluorierten Partikel außerdem einen mittleren Korndurchmesser von etwa 10 nm.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
1 ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine mit Wickelköpfen, die mehrere schutzbeschichtete Leiteranordnungen umfassen, und
2 ein Ausführungsbeispiel einer Schutzschicht für die Leiteranordnungen gemäß 1 im Querschnitt.
Einander entsprechende Teile sind in den 1 und 2 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine 1 im Teilquerschnitt dargestellt. Der Schnitt verläuft entlang einer Drehachse 2 durch einen Stator 3 der elektrischen Maschine 1 und zeigt lediglich einen Teil der oberen Hälfte des Stators 3. Ein eigentlich aktiver Bereich 4 mit dem Stator-Eisenblechpaket und den in Nuten geführten elektrischen Spulenleitern ist nicht näher, sondern nur schematisch wiedergegeben. Auf beiden axialen Seiten des aktiven Bereichs 4 verfügt der Stator 3 über jeweils einen Wickelkopf 5 und 6.
Die Wickelköpfe 5 und 6 sind durch eine Vielzahl von in Richtung der Drehachse 2 aus dem Stator-Eisenblechpaket herausgeführten elektrischen Leiteranordnungen 7 gebildet. Durch entsprechende elektrische Verschaltung der Leiteranordnungen 7 im Bereich der Wickelköpfe 5 und 6 sind Spulenwicklungen aufgebaut. Die Leiteranordnungen 7 sind im Bereich der Wickelköpfe 5 und 6 zur elektrischen Isolation, zum Schutz vor Feuchtigkeit, Salznebel, chemischen Substanzen und vor abrasiv wirkendem Schmutz beschichtet, wobei eine nanostrukturierte äußere Oberfläche 8 vorgesehen ist.
Aus dem in 2 dargestellten Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer der Leiteranordnungen 7 geht der Aufbau aus mehreren gegeneinander elektrisch isolierten Teilleitern 9 hervor. Die Teilleiter 9 bestehen aus Kupferstäben. Jeder Teilleiter 9 ist von einer Teilleiterisolierung 10 aus einer Kapton-Folie umgeben. Bei einem anderen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Leiteranordnung 7 auch nur einen einzigen Leiter umfassen.
Die Leiteranordnung 7 ist im Ausführungsbeispiel von 2 mit einer zweischichtigen Schutzschichtanordnung 11 umgeben. Sie enthält eine erste Schutzschicht 12 aus einem hochelastischen Silikongel und eine zweite Schutzschicht 13 aus einem feuchtigkeitsabweisenden Schutzschichtmaterial auf Basis eines Silikonkautschuks, dem feinkörnige oberflächenmodifizierte perfluorierte Verbindungen mit einem mittleren Korndurchmesser von etwa 10 nm zugesetzt sind. Die beiden Schutzschichten 12 und 13 sind als Tauchbeschichtungen ausgeführt. Grundsätzlich lassen sie sich aber auch mittels anderer Beschichtungsverfahren, beispielsweise mittels eines elektrostatischen Spritzverfahrens, aufbringen.
Das zähfließende Silikongel der ersten Schutzschicht 12 haftet sehr gut an der Leiteranordnung 7. Es vermeidet weitestgehend mechanische Spannungen, die ansonsten zur Rissbildung und zur Delaminierung führen könnten. Außerdem wirkt es in gewissem Umfang selbstheilend.
Das Silikonkautschuk-basierte Schutzschichtmaterial der zweiten Schutzschicht 13 schützt die gelartige erste Schutzschicht 12 und verhindert z.B. eine Anhaftung von Schmutzpartikeln an dem relativ klebrigen Silikongel der ersten Schutzschicht 12. Da beide Schutzschichten 12 und 13 aus einem silikon-basierten Material bestehen, haften sie besonders gut aneinander.
Außerdem bildet die zweite Schutzschicht 13 die äußere Oberfläche 8, die im Ausführungsbeispiel doppelt strukturiert ist. Sie weist neben einer Nanostrukturierung 14 eine weitere Struktur, nämlich eine der Nanostrukturierung 14 überlagerte Mikrostrukturierung 15 auf. Die Mikrostrukturierung 15 ist nicht unabdingbar. Sie führt aber zu einem weiter verbesserten wasserabweisenden Oberflächenverhalten. Insgesamt resultiert dann ein sehr hoher Wasserkontaktwinkel von etwa 150°, so dass die zweite Schutzschicht 13 und damit auch die Schutzschichtanordnung 11 insgesamt sehr feuchtigkeitsabweisend sind. Selbst im ohnehin äußerst unwahrscheinlichen Fall einer Rissbildung dringt kein Wasser in die Schutzschichtanordnung 11 ein.
Im in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel wird dies durch einen Wassertropfen 16 veranschaulicht, der an der Oberfläche 8 genau über einem Riss 17 liegt. Aufgrund der praktisch vernachlässigbaren Benetzbarkeit der nano- und mikrostrukturierten Oberfläche 8 und der Wasseroberflächenspannung kann der Wassertropfen 16 nicht in den Riss 17 gelangen. Er bleibt an der Oberfläche 8 und perlt dort ab. Hierfür reicht eine nur sehr geringe Neigung der Oberfläche 8 oder ein Kühlluftstrom der elektrischen Maschine 1 aus.
Die Schutzschichten 12 und 13 sind elektrisch isolierend. Die Schutzschichtanordnung 11 nimmt dementsprechend auch die Funktion der elektrischen Hauptisolierung wahr, so dass auf eine zusätzliche Isolationszwischenschicht verzichtet werden kann. Dadurch vereinfacht sich der Aufbau, und die Fertigungskosten sinken.
Bei anderen nicht gezeigten Ausführungsbeispielen kann diese Isolationszwischenschicht aber durchaus vorhanden sein. Sie umfasst dann eine Bewicklung der Leiteranordnungen 7 mit Glimmerbändern. Diese Bewicklung ist aber gerade im Bereich der Wickelköpfe 5 und 6 aufwändig und lässt sich oft nur per Hand vornehmen. Dagegen kann das zum Aufbringen der Schutzschichten 12 und 13 eingesetzte Tauchverfahren oder elektrostatische Spritzverfahren problemlos automatisiert durchgeführt werden.
Die erfindungsgemäße Schutzschicht 13 mit der nanostrukturierten Oberfläche 8 wird also zur Beschichtung elektrisch aktiver Teile eingesetzt. Während des Betriebs der elektrischen Maschine 1 führen die Leiteranordnungen 7 Strom und stehen unter Spannung. Im Gegensatz dazu sind bislang bekann te nanostrukturierte Schichten stets nur an elektrisch nichtaktiven Teilen verwendet worden. Die die erfindungsgemäße Schutzschicht 13 umfassende Schutzschichtanordnung 11 bietet neben anderen Vorzügen vor allem eine dauerhaft feuchtigkeitsbeständige elektrische Isolation.
Dabei wird die dielektrische Festigkeit nicht nur durch das elektrisch isolierende Verhalten des verwendeten Schutzschichtmaterials, sondern vor allem auch durch die nanostrukturierte Oberfläche 8 begründet. Diese verhindert auch bei Poren- oder Rissbildung in der Schutzschicht 13 ein Eindringen von Feuchtigkeit und in Folge davon ein Versagen der elektrischen Isolation. Die nanostrukturierte Oberfläche 8 der Schutzschicht 13 wirkt also mittelbar oder indirekt elektrisch isolierend und zwar unabhängig davon, ob das Schutzschichtmaterial ein elektrischer Isolator ist oder nicht.

Claims

Schutzschicht für einen Wickelkopf (5, 6) einer elektrischen Maschine (1), wobei a) ein feuchtigkeitsabweisendes Schutzschichtmaterial vorgesehen ist, und b) das Schutzschichtmaterial nach dem Aufbringen auf den Wickelkopf (5, 6) eine nanostrukturierte Oberfläche (8) aufweist, c) so dass ein Wasserkontaktwinkel von mindestens 120° resultiert.
Schutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (8) doppelt strukturiert ist.
Schutzschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzschichtmaterial elektrisch isolierendes Verhalten aufweist.
Schutzschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzschichtmaterial auf einem Silikonkautschuk, einem Polyesteremid oder einem ungesättigten Polyesterharz basiert.
Schutzschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzschichtmaterial oberflächenmodifizierte perfluorierte Partikel enthält.
Schutzschicht nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die oberflächenmodifizierten perfluorierten Partikel einen mittleren Korndurchmesser von etwa 10 nm aufweisen.