DE102008055591A1

DE102008055591A1 - Statorstabkomponenten mit Harzen, Lacken und Kittmaterialien hoher Wärmeleitfähigkeit

Info

Publication number: DE102008055591A1
Application number: DE102008055591A
Authority: DE
Inventors: Jeffrey Sheaffer; Elena Rozier; David John Wardell
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-01-08
Filing date: 2008-12-29
Publication date: 2009-07-16
Also published as: GB2456373A; JP2009165346A; GB2456373B; KR20090076809A; US20090174279A1; GB0823007D0

Abstract

Es ist ein Statorstab (100) beschrieben. Der Statorstab (100) kann einen Leiter (120), eine um den Leiter (120) herum angeordnete Isolationsschicht (130) und einen hoch wärmeleitfähigen Lack (165) enthalten, um die Isolationsschicht (130) an den Leiter (120) zu binden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein eine Isolierung für elektrische Maschinen, und sie betrifft insbesondere eine Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von Harzen, Lacken, Kittmaterialien und sonstigen Materialien, die im Zusammenhang mit Statorstabkomponenten und -isolierung eingesetzt werden.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Durch Reduktion des Wärmewiderstandes von Statorstabkomponenten kann eine verbesserte Wärmeübertragung zwischen den Statorstableitern und dem Statorkern erhalten werden. Insbesondere kann eine Reduktion des Wärmewiderstandes der Statorstabkomponenten die Temperaturdifferenz zwischen den jeweiligen Leitern, die durch uneinheitliche magnetische Felder in diesen hervorgerufen ist, reduzieren. Außerdem kann die Stromdichte des Kupferleiters durch effektives Kühlen der Leiter gesteigert werden.
Beispielsweise hat sich die Wärmeleitfähigkeit der Massewandisolierung, die die Statorstabkomponenten umgibt, durch die Zugabe von eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Füllstoffen in den letzten Jahren von etwa 0,3 W/mK auf etwa 0,5 W/mK (Watt pro Meter pro Grad Kelvin) verbessert. Im Gegensatz zu der Verbesserung des Wärmetransfers zwischen den Leitern selbst oder zwischen der Leiterpackung und der Masseisolierung liegt der Fokus heutzutage jedoch auf der Isolierung. Diese Leiter sind mit den Masseisolierartikeln höherer Wärmeleitfähigkeit verbunden.
Es besteht somit ein Bedarf nach noch weiteren Verbesserungen der Wärmeleitfähigkeit in Statorstabkomponenten und der Statorstabisolierung. Vorzugsweise kann ein derartiger verbesserter gesamter Statorstab mehr Leistung von einer kleineren Einheit bei wirtschaftlicheren Kosten oder bei höherem Wirkungsgrad von einer existierenden Einheit aus erzeugen.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Anmeldung beschreibt somit einen Statorstab oder eine Ankerspule einer beliebigen ähnlichen Bauart. Der Statorstab kann einen Leiter, eine um den Leiter herum positionierte Isolationsschicht und einen Lack hoher Wärmeleitfähigkeit zur Bindung der Isolationsschicht an den Leiter enthalten.
Die Anmeldung beschreibt ferner einen Statorstab. Der Statorstab kann eine Anzahl von Leitern, eine Isolationsschicht, die rings um die Leiter positioniert ist, wobei die Leiter eine Lücke bzw. einen Zwischenraum mit der Isolationsschicht bilden, und einen Kitt hoher Wärmeleitfähigkeit in dem Zwischenraum enthalten.
Die Anmeldung beschreibt ferner einen Statorstab. Der Statorstab kann zwei oder mehrere Leiterebenen bzw. -lagen und eine vertikale Trenneinrichtung enthalten, die zwischen den Leiterebenen positioniert ist. Die vertikale Trenneinrichtung kann einen Harz hoher Wärmeleitfähigkeit enthalten.
Diese und weitere Merkmale der vorliegenden Anmeldung werden für einen Fachmann beim Studium der folgenden detaillier ten Beschreibung offensichtlich, wenn diese in Verbindung mit den verschiedenen Zeichnungen und den folgenden Ansprüchen gelesen wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Perspektivansicht eines Statorstabs, wie er hier beschrieben ist.
2 zeigt eine Seitenansicht eines Statorstabs, wie er hier beschrieben ist, in einer Querschnittsdarstellung.
3 zeigt eine im Querschnitt dargestellte Seitenansicht eines Statorstabs, wie er hier beschrieben ist.
4 zeigt eine Perspektivansicht eines Röbel-Statorstabs.
5 zeigt eine im Querschnitt dargestellte Seitenansicht eines hier beschriebenen Statorstabs.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Indem nun auf die Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen gleiche Bezugszeichen überall in den verschiedenen Ansichten gleiche Elemente bezeichnen, zeigt 1 einen Statorstab 100, wie er hier beschrieben ist. Der Statorstab 100 kann mit elektrischen Maschinen verwendet werden, wie dies in der Technik bekannt ist. Eine elektrische Maschine kann allgemein mehrere Statorstäbe 100 aufweisen. Die mehreren Statorstäbe 100 können identisch sein und können übereinander oder umeinander herum angeordnet sein, wie dies allgemein bekannt ist.
Allgemein kann jeder Statorstab 100 eine Anzahl von Leitern 120 enthalten. Die Leitern 120 können aus Kupfer, Kupferlegierungen, Aluminium oder ähnlichen Werkstoffen hergestellt sein. Eine Schicht einer Leiterisolierung 130 kann die einzelnen Leiter 120 voneinander trennen. In diesem Beispiel kann die Leiterisolierung 130 ein typisches E-Glas, ein Daglas oder ein Glasmaterial einer ähnlichen Art enthalten. Das E-Glas kann ein alkaliarmes Borsilikat-Fiberglas mit guten elektromechanischen Eigenschaften und mit guter chemischer Beständigkeit sein. E-Glas oder Glas elektrischer Klasse hat hervorragende Faserbildungseigenschaften und wird als die Verstärkungsphase in Glasfasern verwendet. Das E-Glas kann eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,99 W/mK aufweisen. Das Daglas kann ein Garn mit einer Mischung aus Polyester- und Glasfasern sein. Das Daglas kann eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,4 W/mK aufweisen. Ein aus dem E-Glas, dem Daglas oder aus ähnlichen Materialarten hergestelltes Glasfasergewebe kann beliebige gewünschte Gewebedichten, -gewichte, -dicken, -stärken und sonstige Eigenschaften aufweisen.
In der veranschaulichten Ausführungsform kann der Statorstab 100 zwei oder mehrere Ebenen oder Lagen 140 der Leiter 120 enthalten. Es kann eine beliebige Anzahl von Ebenen 140 verwendet werden. Die Ebenen 140 können durch eine vertikale Trenneinrichtung 150 voneinander getrennt sein. Typische vertikale Trenneinrichtungen 150 können Papier, Filz oder eine Glasfaser enthalten, die mit einem teilweise ausgehärteten Harz behandelt ist, das, wenn es aushärtet, fließt und die Ebenen bzw. Lagen 140 zusammenbindet. Die Trenneinrichtungen 150 ergeben auch eine zusätzliche elektrische Isolation.
Die Ebenen 140 können auch von einer oder mehreren Schichten einer Masseisolierung 155 umgeben sein. Wie oben beschrieben, kann die Masseisolierung 155 üblicherweise aus einer Kombination aus einem Glimmerpapier, einem Glasgewebe oder unidirektionalen Glasfasern und einem Harzbindemittel in mehreren Schichten zur Bildung eines Verbundwerkstoffs aufgebaut sein.
2 zeigt einen Statorstab 100 mit einer verbesserten Leiterisolierung 160. Die Leiterisolierung 160 kann das E-Glas oder das Daglas der Leiterisolierung 130 mit der Zugabe eines Lacks 165 hoher Wärmeleitfähigkeit enthalten. Der Lack 165 kann verwendet werden, um das E-Glas, das Daglas oder ein sonstiges Material der Leiterisolierung 160 zu füllen und an den Leiter 120 zu binden und wird anschließend aushärten gelassen. Gewöhnlich kann der Lack 165 aus Epoxidharz, Polyesterharz oder Werkstoffen ähnlicher Arten erzeugt sein. Der hoch wärmeleitfähige Lack 165 kann auch Füllstoffe hoher Wärmeleitfähigkeit enthalten, um die Wärmeübertragung zwischen den Leitern 120 zu verbessern. In diesem Beispiel können die Füllstoffe hoher Wärmeleitfähigkeit Bohrnitrid (BN), Aluminiumnitrid (AlN), Siliziumnitrid (Si3N4), Aluminiumoxid (Al2O3), Magnesiumoxid (MgO), Zinkoxid (ZnO), Strontiumtitanat (SrTiO3), Titandioxid (TiO2), Siliziumdioxid (SiO2), Diamant (C) und ähnliche Arten von Materialien enthalten. Der Lack 165 kann eine Wärmeleitfähigkeit von (ungefüllt) etwa 0,2 W/mK o der mehr haben. Mit der Zugabe von Füllstoffen hoher Wärmeleitfähigkeit zu dem Lack sind Wärmeleitfähigkeiten von 0,8 W/mK gezeigt worden. Unter Verwendung von beispielsweise Diamant (C) kann eine noch bessere Wärmeleitfähigkeit erwartet werden.
3 zeigt einen weiteren hier beschriebenen Statorstab 200. Der Statorstab 200 kann dem vorstehend beschriebenen ähnlich sein, jedoch mit dem Zusatz eines Kittmaterials 210 hoher Wärmeleitfähigkeit, das in den „Vs" bzw. „V-Lücken" 220 zwischen den gerundeten Ecken der einzelnen Leiter 120 und der Masseisolierung 155 positioniert ist. Die V-Lücken 220 sind gewöhnlich mit einem Harz gefüllt, das die Masseisolierung 155 passiert bzw. durchdrungen hat und dazu neigt, ein rein organisches Harz mit geringer Wärmeleitfähigkeit (von etwa 0,18 W/mK) zu sein. In diesem Fall kann der hoch wärmeleitfähige Kitt 210 entweder unmittelbar aufgebracht oder auf eine Trägerstruktur beispielsweise aus Papier, Filz oder Glasgewebe oder einem Band aufgetragen und anschließend auf die Oberfläche des Leiters 120 aufgebracht werden. Der hoch wärmeleitfähige Kitt 210 kann die vorstehend beschriebenen Füllstoffe hoher Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise Bohrnitrid (BN), Aluminiumnitrid (AlN), Siliziumnitrid (Si3N4), Aluminiumoxid (Al2O3), Magnesiumoxid (MgO), Zinkoxid (ZnO), Strontiumtitanat (SrTiO3), Titandioxid (TiO2), Siliziumdioxid (SiO2), Diamant (C) und ähnliche Materialien, wie sie hier beschrieben sind, enthalten. Der Kitt 210 kann eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,2 (ungefüllt) W/mK oder mehr aufweisen. Der Kitt 210 kann dazu dienen, die Wärmeübertragung zwischen den Leitern 120 und der Masseisolierung 155 zu verbessern.
Wie in 4 veranschaulicht ist, können die Leiter 120 auf eine Weise, die als Verröbelung bezeichnet wird, spiralartig verwunden bzw. verdrillt sein. Der Verröbelungsprozess hat zur Folge, dass sich jeder Leiter 120 entlang des Schlitzes eines Generators in einer rechteckigen Stabgestalt spiralartig herunterwindet. Das Ergebnis ist eine zusätzliche Leiterhöhe auf einer Seite eines zwei Ebenen bzw. Lagen aufweisenden Statorstabs 100. Um den Statorstab 100 wiederum zu einem Rechteck zu formen, kann auch der hoch wärmeleitfähige Kitt 210 verwendet werden, um den leeren Raum an dem Röbel-Übergang auszufüllen. Der Kitt 210 verbessert somit die Wärmeübertragung von den Leitern 120 zu der Masseisolierung 155.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Statorstabs 250. Der Statorstab 250 kann dem vorstehend beschriebenen ähnlich, jedoch mit einer verbesserten vertikalen Trenneinrichtung 260 ausgebildet sein. Wie oben, kann die verbesserte vertikale Trenneinrichtung 260 eine Mischung aus Papier, Filz, Glasfaser sein, die mit einem hoch wärmeleitfähigen Harz 270 behandelt ist, das die vorstehend beschriebenen Füllstoffe hoher Wärmeleitfähigkeit enthalten kann, wie beispielsweise Bohrnitrid (BN), Aluminiumnitrid (AlN), Siliziumnitrid (Si3N4), Aluminiumoxid (Al2O3), Magnesiumoxid (MgO), Zinkoxid (ZnO), Strontiumtitanat (SrTiO3), Titandioxid (TiO2), Siliziumdioxid (SiO2), Diamant (C) und ähnliche Materialien, wie sie vorstehend beschrieben sind. Das Harz 270 kann eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,2 (ungefüllt) W/mK oder mehr haben. Das Harz 270 kann fließen und eine Anzahl von diamantförmigen Bereichen 280 zwischen den Leitern 120 ausfüllen, die den vorstehend beschriebenen „Vs" 220 ähnlich sind. Die Lücken zwischen den gerundeten Ecken der Leiter 120 und der vertikalen Trenneinrichtung 260 bilden die „Vs" 220, wie sie vorstehend beschrieben sind. Die Kombination aus zwei gegenüberliegenden „Vs" 220 bildet eine Diamantgestalt 280. Die verbesserte vertikale Trenneinrichtung 260 mit dem verbesserten Harz 270 kann folglich den Wärmeübergang zwischen den Leitern 120 verbessern.
Die Verwendung des hoch wärmeleitfähigen Lackes 165, des Kittes 210 und des Harzes 270 kann folglich die Wärmeleitfähigkeit des Statorstabs 100 sowohl zwischen den Leitern 120 als auch zwischen den Leitern 120 und der Masseisolierung 155 steigern. Beispielsweise können bestimmte Leiter 120 näher an der Quelle des Magnetfeldes angeordnet und somit stärkeren Magnetfeldern ausgesetzt sein. Derartige stärkere Magnetfelder können stärkere Ströme induzieren und somit eine Temperaturdifferenz zwischen den näheren und den weiter entfernt angeordneten Leitern 120 in dem Statorstab 100 hervorrufen. Die hier beschriebene verbesserte Wärmeleitfähigkeit kann einen verbesserten Wärmefluss und eine geringere Temperaturdifferenz zwischen den jeweiligen Leitern 120 ermöglichen.
In ähnlicher Weise können bestimmte Statorstäbe 100 Hohlleiter verwenden, die als Kanäle für einen Fluiddurchfluss durch diese dienen, um Wärme von dem Statorstab 100 als Ganzes abzuführen. In derartigen Konstruktionen sollte die höhere Wärmeleitfähigkeit eine effizientere Kühlung und ein höheres Verhältnis von massiven zu hohlen Leitern 120 ermöglichen. Infolgedessen kann die Menge von Kupfer und die Anzahl von Leitern 120 in einem Statorstab 100 derselben Größe steigen.
Es sollte verständlich sein, dass das Vorstehende lediglich die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anbetrifft und dass zahlreiche Veränderungen und Modifikationen daran durch einen Fachmann vorgenommen werden können, ohne dass von dem allgemeinen Rahmen und Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die folgenden Ansprüche definiert ist, sowie deren äquivalenten Realisierungen abgewichen wird.
Es ist ein Statorstab 100 beschrieben. Der Statorstab 100 kann einen Leiter 120, eine um den Leiter 120 herum angeordne te Isolationsschicht 130 und einen hoch wärmeleitfähigen Lack 165 enthalten, um die Isolationsschicht 130 an den Leiter 120 zu binden.

100: Statorstab
120: Leiter
130: Leiterisolierung
140: Ebenen, Lagen
150: Vertikale Trenneinrichtung
155: Masseisolierung
160: Verbesserte Leiterisolierung
165: Lack
200: Statorstab
210: Kitt
220: V-Lücke, V-Zwischenraum
250: Statorstab
260: Vertikale Trenneinrichtung
270: Harz

Claims

Statorstab (100), der aufweist: einen Leiter (120); eine Isolationsschicht (160), die rings um den Leiter positioniert ist; und einen Lack (165) hoher Wärmeleitfähigkeit, um die Isolationsschicht (160) an den Leiter (120) zu binden.
Statorstab (100) nach Anspruch 1, wobei der hoch wärmeleitfähige Lack (165) einen Füllstoff hoher Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Statorstab (100) nach Anspruch 1, wobei der hoch wärmeleitfähige Lack (165) Bohrnitrid (Bn), Aluminiumnitrid (AlN), Siliziumnitrid (Si3N4), Aluminiumoxid (Al2O3), Magnesiumoxid (MgO), Zinkoxid (ZnO), Strontiumtitanat (SrTiO3), Titandioxid (TiO2), Siliziumdioxid (SiO2) oder Diamant (C) aufweist.
Statorstab (100) nach Anspruch 1, wobei der hoch wärmeleitfähige Lack (165) eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als etwa 0,2 W/mK aufweist.
Statorstab (100) nach Anspruch 1, wobei die Isolationsschicht (160) eine Glaskomponente aufweist.
Statorstab (200), der aufweist: mehrere Leiter (120); eine Isolationsschicht (130), die rings um die Leiter (120) positioniert ist; wobei die Leiter (120) einen Zwischenraum (220) mit der Isolationsschicht (130) bilden; und einen Kitt (210) hoher Wärmeleitfähigkeit in dem Zwischenraum (220).
Statorstab (250), der aufweist: zwei oder mehrere Leiterebenen (140); und eine vertikale Trenneinrichtung (260), die zwischen den Ebenen (140) positioniert ist; wobei die vertikale Trenneinrichtung (260) einen Harz (270) hoher Wärmeleitfähigkeit aufweist.