DE102005017113B4

DE102005017113B4 - Schutzschichtanordnung für einen Wickelkopf einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102005017113B4
Application number: DE200510017113
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Kaufhold; Bernhard Dr. Klaussner; Alfred Titz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-04-13
Filing date: 2005-04-13
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2025-04-14
Also published as: DE102005017113A1

Abstract

Schutzschichtanordnung für einen Wickelkopf (5, 6) einer elektrischen Maschine (1) mit einer ersten und einer zweiten Deckschicht (12, 13; 16, 17; 19, 20), wobei
a) die erste und die zweite Deckschicht (12, 13; 16, 17; 19, 20) eine elektrische Leiteranordnung (7) des Wickelkopfs (5, 6) umschließen,
b) die erste Deckschicht (12; 16; 19) aus einem im gesamten Anwendungstemperaturbereich gelartigen und zumindest weitgehend selbstheilenden Polymermaterial besteht, und
c) die zweite Deckschicht (13; 17; 20) die erste Deckschicht (12; 16; 19) unmittelbar umgibt und aus einem härteren Material als die erste Deckschicht (12; 16; 19) und aus einem im gesamten Anwendungstemperaturbereich gummielastischen Material besteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzschichtanordnung für einen Wickelkopf einer elektrischen Maschine mit einer ersten und einer zweiten Deckschicht.
Eine derartige Schutzschichtanordnung ist zur elektrischen Isolation, zum mechanischen Schutz oder zum chemischen Schutz am Wickelkopf einer beispielsweise als elektrodynamischer Motor oder Generator ausgeführten elektrischen Maschine vorgesehen. Sie lässt sich mittels mehrfacher Imprägnierung mit Tränkharzen und Tränklacken oder mittels eines Vergusses mit anorganisch gefüllten Tränkharzen (= Gießharz) herstellen.

Aus der DE 31 33 734 C2 ist eine Schutzschichtanordnung mit einem einschichtigen harten Überzug aus einem siliziumorganischen Elastomer, wie einem organomodifiziertem bei Raumtemperatur härtbarem Silikonkautschukmaterial, bekannt. Weiterhin ist es aus der JP 08 154 364 A sowie aus dem zugehörigen englischen Abstract bekannt, eine Schutzschichtanordnung zweischichtig auszuführen. Die innere Gießharz-Schicht hat eine Glasübergangstemperatur zwischen 80°C und 100°C, die äußere Gießharz-Schicht dagegen eine höhere Glasübergangstemperatur zwischen 120°C und 150°C. Diese bekannten Schutzschichtanordnungen neigen bei Temperaturwechseln zur Rissbildung und zumindest bereichsweise zur Delaminierung.

Aus der JP 63 121 440 A ist eine ebenfalls zweischichtige Schutzschichtanordnung für einen Wickelkopf eines Elektromotors bekannt. Die Schutzschichtanordnung enthält eine äußere elastische Kunststoffschicht, die an ihrer Innenseite mit einer weiteren Schicht aus einem Gel belegt ist.

In der US 3 020 260 A wird die Zusammensetzung eines Silikongels beschrieben, das sich auch zu einer selbstheilenden Beschichtung eines elektrischen Apparats eignet.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Schutzschichtanordnung für einen Wickelkopf einer elektrischen Maschine anzugeben, die einen verbesserten Schutz vor Rissbildung und Delaminierung bietet.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. Die erfindungsgemäße Schutzschichtanordnung für einen Wickelkopf einer elektrischen Maschine umfasst eine erste und eine zweite Deckschicht, wobei

a) die erste und die zweite Deckschicht eine elektrische Leiteranordnung des Wickelkopfs umschließen,
b) die erste Deckschicht aus einem im gesamten Anwendungstemperaturbereich gelartigen und zumindest weitgehend selbstheilenden Polymermaterial besteht, und
c) die zweite Deckschicht die erste Deckschicht unmittelbar umgibt und aus einem härteren Material als die erste Deckschicht und aus einem im gesamten Anwendungstemperaturbereich gummielastischen Material besteht.

Die erfindungsgemäße Schutzschichtanordnung hat aufgrund des gelartigen Charakters der inneren, also der ersten Deckschicht eine sehr gute Haftung am zu beschichtenden Körper oder Material. Besonders günstig wirkt sich aus, dass diese vorteilhafte Eigenschaft über den gesamten Anwendungstemperaturbereich gegeben ist. Je nach Wärmeklasse der elektrischen Maschine erstreckt sich dieser Bereich von einem insbesondere in der Bahntechnik maßgeblichen Minimalwert von –40°C bis zu einem Maximalwert von 130°C (Klasse B), von 155°C (Klasse F), von 180°C (Klasse H) oder von 200°C (Klasse 200). Auch noch höhere Temperaturwerte sind grundsätzlich möglich. Die hier maßgeblichen Wärmeklassen für die Isolierung elektrotechnischer Betriebsmittel sind in der IEC 60085 definiert. Die Glasübergangstemperatur des Polymermaterials der ersten Deck schicht liegt insbesondere unter Raumtemperatur, vorzugsweise sogar unter –40°C.

Die gelartige erste Deckschicht vermeidet weitestgehend mechanische Spannungen, die ansonsten zur Rissbildung und zur Delaminierung führen könnten. Außerdem bewirkt die gelartige erste Deckschicht im äußerst unwahrscheinlichen Fall einer mechanischen Beschädigung in der Schutzschichtanordnung eine Selbstheilung. Die erste Deckschicht besteht aus einem klebrigen zähfließenden Stoff, der sich deutlich von den bislang verwendeten aushärtenden Gießharzen, Elastomeren oder Duroplasten unterscheidet.

Die zweite Deckschicht schützt die gelartige erste Deckschicht. Insbesondere verhindert sie eine Anhaftung von Schmutzpartikeln an der relativ klebrigen ersten Deckschicht.

Bei der von der Schutzschichtanordnung umschlossenen elektrischen Leiteranordnung kann es sich insbesondere um einen Einzelleiter oder auch um eine Kombination mehrerer Teilleiter handeln. Diese beispielsweise aus Kupfer bestehenden elektrischen Leiter können auch mit einer Leiterisolierung versehen sein.

Mit besonderem Vorteil lässt sich die erfindungsgemäße Schutzschichtanordnung in einer durchzugsbelüfteten elektrischen Maschine einsetzen, deren Wickelköpfe zumindest teilweise unmittelbar dem 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 Schutzschichtanordnung bietet gegenüber diesen Umwelteinflüssen insbesondere aufgrund ihres zweischichtigen Aufbaus einen sehr guten Schutz. Beide Deckschichten erfüllen unterschiedliche Schutzfunktionen und können auch weitgehend unabhängig voneinander hinsichtlich ihrer jeweiligen Schutzfunktion ausgelegt werden.

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

Günstig ist eine Variante, bei der das Polymermaterial ein Silikongel ist, also ein Silikonpolymer mit besonders hoher Elastizität und dementsprechend mit sehr niedrigem Elastizitätsmodul (= Young Modulus).

Die auch als Silikonkautschuke bezeichneten Silikonpolymere sind Polydiorganosiloxane, die insbesondere durch Wasserstoffatome, Hydroxylgruppen oder Vinylgruppen an den Enden oder in den Ketten vernetzt werden. Sie nehmen nach der Vernetzung einen gummielastischen Zustand ein. Als Basispolymere kommen insbesondere Polydimethylsiloxane in Betracht, die ihre hohe Elastizität bis zu Temperaturen von unter –50°C beibehalten. Diese hohe Elastizität hat ihre Ursache in der Si-O-Si-O-Grundstruktur im Polymerskelett, die zu einer sehr hohen Beweglichkeit der Polymersegmente führt. Dadurch resultiert eine leichte Verschiebbarkeit im vernetzten Polymer. Bedingt durch die hohe Segmentbeweglichkeit liegen auch die zugehörigen Glasübergangstemperaturen bei vergleichsweise sehr niedrigen Werten von bis zu unter –40°C.

Besonders gut eignen sich zweikomponentige kaltvulkanisierende, d.h. bei Raumtemperatur vulkanisierende, Silikonkautschuke, die durch Kondensations- oder Additionsreaktion vernetzen. Durch entsprechende Variation der organischen Reste in der Polymerkette kann eine Dauerflexibilität bis unter –100°C eingestellt werden. Reine Polydimethylsiloxane erreichen Werte von etwa –50°C. Phenylmethylsiloxan- oder Diphenylsiloxaneinheiten ermöglichen dagegen sogar Werte von etwa –110°C.

Auch bei hohen Temperaturen weisen die Polysiloxane bedingt durch die äußerst oxidationsunempfindlichen Polymerketten ei ne ausgezeichnete Beständigkeit auf. Die Si-O-Si-Bindungen sind bis zu Werten von etwa 250°C sehr stabil und zersetzungsresistent.

Unter den vorstehend beschriebenen ohnehin sehr vorteilhaften Silikonpolymeren zeichnen sich die Silikongele durch die geringst möglichen Elastizitätsmoduli aus. Sie eignen sich somit in besonderer Weise für die erste Deckschicht.

Insbesondere ist die Elastizität der zweiten Deckschicht niedriger als die der gelartigen ersten Deckschicht. Bei dieser Variante hat der Verbund aus beiden Deck schichten eine sehr hohe Elastizität und auch eine gute mechanische Festigkeit.

Vorzugsweise ist das gummielastische Material der zweiten Deckschicht ein Silikonkautschuk. Die vorstehend im Zusammenhang mit der Silikongel-Variante für die erste Deckschicht beschriebenen Vorzüge der Silikonpolymere kommen dann auch für die zweite Deckschicht zum Tragen. Insbesondere wenn die erste Deckschicht aus einem Silikongel besteht, ist es vorteilhaft, für die zweite Deckschicht einen Silikonkautschuk vorzusehen. Das Material beider Deckschichten ist dann silikon-basiert, wodurch eine besonders gute Haftung zwischen den beiden Deckschichten resultiert.

Grundsätzlich ist es aber ebenso möglich, dass die zweite Deckschicht aus einem Gießharz besteht. Auch dann resultiert ein vor allem aufgrund der inneren ersten Deckschicht sehr elastischer und aufgrund der härteren äußeren zweiten Deckschicht sehr stabiler Verbund.

Bei einer weiteren Ausgestaltung sind die erste und die zweite Deckschicht jeweils als Beschichtung mit weitgehend einheitlicher Schichtdicke ausgebildet sind. Diese Beschichtungen lassen sich beispielsweise jeweils mittels eines Tauchverfahrens aufbringen. Abweichungen von der ansonsten innerhalb der jeweiligen Deckschicht einheitlichen Schichtdicke können sich lediglich an exponierten Geometriestellen, wie beispielsweise an schmalen Seiten oder an Kanten, ergeben. Diese Ausgestaltung erlaubt eine sehr gute Wärmeabfuhr aus der umschlossenen Leiteranordnung.

Im Rahmen einer alternativen Ausgestaltung ist es vorgesehen, den Wickelkopf mittels der zweiten Deckschicht komplett zu vergießen. Bei dieser Ausgestaltung sind zwischen zwei benachbarten Leiteranordnungen des Wickelkopfs nach dem Verguss mit der zweiten Deckschicht praktisch keine Lücken mehr vorhanden. Es resultiert ein mechanisch sehr stabiler Aufbau. Der Verguss verstärkt den Wickelkopf mechanisch, so dass auf ansonsten bisweilen eingesetzte mechanische Versteifungselemente ganz oder zumindest teilweise verzichtet werden kann. Die Schichtdicke der ersten Deckschicht liegt insbesondere etwa zwischen 0,2 und 0,5 mm, die der zweiten Deckschicht vorzugsweise etwa zwischen 2 und 5 mm. Diese Schichtdicken entspringen einem Kompromiss. Während für eine gute Wärmeabfuhr möglichst kleine Dickewerte günstig sind, steigt die mechanische Festigkeit mit zunehmenden Schichtdicken.

Eine weitere Variante besteht darin, dass zwischen der Leiteranordnung und der ersten Deckschicht eine elektrische Isolationsanordnung vorgesehen ist. Die beiden Deckschichten dienen dann in erster Linie zum mechanischen Schutz, wohingegen die zwischen der Schutzschichtanordnung und der Leiteranordnung vorgesehene Isolationsanordnung hauptsächlich die elektrische Isolationsfunktion übernimmt. Durch diese Funktionsaufteilung ergeben sich größere Freiheitsgrade bei der Materialwahl für die jeweilige Teilschicht.

Alternativ ist es aber auch möglich, die erste Deckschicht unmittelbar an der Leiteranordnung anliegen zu lassen. In diesem Fall übernehmen die beiden Deckschichten auch die elektrische Isolation vollständig. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn die Deckschichten aus den vorstehend genannten vorteilhaften Silikonpolymeren ausgebildet sind. Diese Materialien weisen nämlich auch ein sehr gutes elektrisches Isolationsvermögen auf. Dadurch wird der Aufbau sehr einfach und folglich auch kostengünstig. Er kommt ohne zwischengelagerte gesonderte Isolationsanordnung oder -schicht aus.

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,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schutzschichtanordnung für die Leiteranordnungen gemäß 1,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Schutzschichtanordnung für die Leiteranordnungen gemäß 1 und
4 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Schutzschichtanordnung für eine Leiteranordnung gemäß 1
Einander entsprechende Teile sind in den 1 bis 4 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. Die Leiteranordnungen 7 sind zumindest im Bereich der Wickelköpfe 5 und 6 schutzbeschichtet.
Aus den in den 2 bis 4 dargestellten Querschnitten durch einen Teil der Leiteranordnungen 7 eines der Wickelköpfe 5 und 6 geht hervor, dass sich die für die Spulenwicklungen verwendeten Leiteranordnungen 7 aus mehreren gegeneinander elektrisch isolierten Teilleitern 8 zusammensetzen. Die Teilleiter 8 bestehen aus Kupferstäben. Jeder Teilleiter 8 ist von einer Teilleiterisolierung 9 aus einer Kapton-Folie umgeben.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 sind die Leiteranordnungen 7 jeweils mit einer Isolationsanordnung 10 und einer Schutzschichtanordnung 11 umgeben. Die Isolationsanordnung 10 bildet die elektrische Hauptisolierung der Statorwicklungen der elektrischen Maschine 1 und ist auch innerhalb der Stator-Nuten an den Leiteranordnungen 7 vorgesehen. Sie besteht aus einer Bewicklung mit Glimmerbändern, die bei Bedarf zusätzlich von einem Gewebe aus glasfaserverstärktem Kunststoff (= GFK) umgeben sein kann. Die Anordnung mit den bewickelten Glimmerbändern und ggf. mit dem GFK-Gewebe ist mit einem Imprägnier-Harz getränkt, das mittels eines Vakuum-Druck-Prozesses (= VPI-Prozess) aufgebracht wird. Das Imprägnier-Harz ist ausgehärtet. Optional kann die Isolationsanordnung 10 – beispielsweise zum Verschluss von Restporen – eine weitere Imprägnierung mit einem Lack enthalten.
Die die Isolationsanordnung 10 umgebende Schutzschichtanordnung 11 ist zweischichtig ausgebildet. Sie enthält eine innere erste Deckschicht 12 und eine äußere zweite Deckschicht 13. Die erste Deckschicht 12 besteht aus einem Silikongel, die zweite Deckschicht 13 aus einem Silikonkautschuk. Die beiden Deckschichten 12 und 13 sind als Tauchbeschichtungen ausgeführt. Grundsätzlich können sie aber auch mittels anderer Beschichtungsverfahren, beispielsweise mittels eines elektrostatischen Spritzverfahrens, aufgebracht werden. Sie umgeben die mit den Isolationsanordnungen 10 versehenen Leiteranordnungen 7 jeweils gesondert, so dass zwischen den schutzbeschichteten Leiteranordnungen 7 materialfreie Lücken 14 verbleiben. Die Schutzschichtanordnung 11 dient hauptsächlich dem mechanischen Schutz sowie dem Schutz vor Feuchtigkeit und vor chemischen Substanzen.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 sind die mit den Isolationsanordnungen 10 versehenen Leiteranordnungen 7 von einer ebenfalls zweischichtigen Schutzschichtanordnung 15 umgeben. Deren erste Deckschicht 16 besteht wie bei der Schutzschichtanordnung 11 aus einem mittels einer Tauchbeschichtung hergestellten Silikongel-Überzug. Eine äußere zweite Deckschicht 17 ist dagegen durch einen Verguss aller Leiteranordnungen 7 mit einem Silikonkautschuk gebildet. Zwischen den einzelnen Leiteranordnungen 7 verbleiben dann keine materialfreien Lücken 14 wie beim Ausführungsbeispiel gemäß 2.
Dadurch ergibt sich ein sehr stabiler mechanischer Aufbau der Wickelköpfe 5 und 6.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist stellvertretend nur eine einzige Leiteranordnung 7 dargestellt. Im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen ist die Leiteranordnung 7 hier nicht von einer gesonderten Isolationsanordnung 10 umgeben. Vielmehr ist eine Schutzschichtanordnung 18 direkt auf der Leiteranordnung 7 angeordnet.
Auch die Schutzschichtanordnung 18 ist zweischichtig aufgebaut. Sie enthält eine erste Deckschicht 19 aus einem Silikongel und eine zweite Deckschicht 20 aus einem Gießharz. Grundsätzlich kann anstelle des Gießharzes aber auch ein Silikonkautschuk wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen vorgesehen sein. Die beiden Deckschichten 19 und 20 sind als Tauchbeschichtungen ausgeführt. Ein Verguss mittels der zweiten Deckschicht 20 ist aber ebenfalls möglich.
Die Schutzschichtanordnung 18 nimmt auch die Funktion der elektrischen Hauptisolierung wahr, so dass auf eine gesonderte Isolationsanordnung 10 verzichtet werden kann. Dadurch vereinfacht sich der Aufbau. Dies führt auch zu einem Kostenvorteil bei der Fertigung. Die Bewicklung der Leiteranordnung 7 mit den bei einer gesonderten Isolationsanordnung 10 vorgesehenen Glimmerbändern ist gerade im Bereich der Wickelköpfe 5 und 6 aufwändig und lässt sich oft nur per Hand vornehmen. Dagegen können die Tauch- und/oder Gussverfahren für die Deckschichten 19 und 20 problemlos automatisiert durchgeführt werden.
Außer den bereits genannten Vorteilen bieten die zweischichtigen Schutzschichtanordnungen 11, 15 und 18 eine dauerhaft feuchtigkeitsbeständige elektrische Isolation. Eine Beschädigung durch Rissbildung oder Delaminierung aufgrund von mechanischer Spannungen wird verhindert.

Claims

Schutzschichtanordnung für einen Wickelkopf (5, 6) einer elektrischen Maschine (1) mit einer ersten und einer zweiten Deckschicht (12, 13; 16, 17; 19, 20), wobei a) die erste und die zweite Deckschicht (12, 13; 16, 17; 19, 20) eine elektrische Leiteranordnung (7) des Wickelkopfs (5, 6) umschließen, b) die erste Deckschicht (12; 16; 19) aus einem im gesamten Anwendungstemperaturbereich gelartigen und zumindest weitgehend selbstheilenden Polymermaterial besteht, und c) die zweite Deckschicht (13; 17; 20) die erste Deckschicht (12; 16; 19) unmittelbar umgibt und aus einem härteren Material als die erste Deckschicht (12; 16; 19) und aus einem im gesamten Anwendungstemperaturbereich gummielastischen Material besteht.
Schutzschichtanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial ein Silikongel ist.
Schutzschichtanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das gummielastischen Material ein Silikonkautschuk ist.
Schutzschichtanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Deckschicht (20) aus einem Gießharz besteht.
Schutzschichtanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Deckschicht (12, 13; 19, 20) jeweils als Beschichtung mit weitgehend einheitlicher Schichtdicke ausgebildet sind.
Schutzschichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelkopf (5, 6) mittels der zweiten Deckschicht (17) komplett vergossen ist.
Schutzschichtanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Leiteranordnung (7) und der ersten Deckschicht (12; 16) eine elektrische Isolationsanordnung (10) vorgesehen ist.
Schutzschichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Deckschicht (19) unmittelbar an der Leiteranordnung (7) anliegt.