DE102011079489A1 - Verfahren zum Herstellen eines Bandes für ein elektrisches Isolationssystem - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen eines Bandes für ein elektrisches Isolationssystem weist folgende Schritte auf: Bereitstellen eines porösen Isolationspapiers; Bereitstellen eines Harzes, in dem nanoskalige Partikel suspendiert sind; Durchtränken des Isolationspapiers mit dem Harz, wodurch das Harz und die Partikel in dem Isolationspapier verteilt werden; Fertigstellen des Bandes.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bandes für ein elektrisches Isolationssystem.
  • Elektrische Maschinen, wie z.B. Motoren und Generatoren, weisen elektrische Leiter, ein elektrisches Isolationssystem und ein Ständerblechpaket auf. Das Isolationssystem hat den Zweck die Leiter gegeneinander, gegen das Ständerblechpaket und gegen die Umgebung elektrisch zu isolieren. Bei mechanischer oder thermischer Belastung im Betrieb der Maschine können sich Hohlräume an den Grenzflächen zwischen dem Isolationssystem und dem Leiter oder zwischen dem Isolationssystem und dem Ständerbleckpaket bilden, in denen sich durch elektrische Teilentladungen Funken bilden können. Durch die Funken können sich sog. „Treeing“-Kanäle in der Isolation ausbilden. Als Folge der „Treeing“-Kanäle kann es zu einem elektrischen Durchschlag durch die Isolation kommen. Eine Barriere gegen die Teilentladungen wird durch den Einsatz von Glimmer in der Isolation erreicht, welcher eine hohe Teilentladungsbeständigkeit hat. Der Glimmer kommt in Form von plättchenförmigen Glimmerpartikeln mit einer herkömmlichen Partikelgröße von mehreren 100 Mikrometern bis zu mehreren Millimetern zum Einsatz, wobei die Glimmerpartikel zu einem Glimmerpapier verarbeitet werden. Zur Erhöhung der Festigkeit und zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit wird ein Band verwendet, in dem das Glimmerpapier mit einem Kleber auf eine Trägerstruktur geklebt ist.
  • Zur Verbesserung der Teilentladungsbeständigkeit von Isolationssystemen ist der Einsatz von anorganischen Nanopartikeln in dem Isolationssystem bekannt. Die Teilentladungsbeständigkeit des Isolationssystems nimmt mit größerer Oberfläche der Partikel zu und hängt damit von ihrem Durchmesser und ihrer Form ab. Außerdem nimmt die Teilentladungsbeständigkeit mit zunehmendem Massenanteil der Nanopartikel bezogen auf das Isolationssystem zu. Die Nanopartikel können dabei beschichtet sein.
  • Zum Herstellen des Isolationssystems wird das Band in einem sog. VPI Prozess (Vacuum-Pressure-Impregnation, Vakuum-Druck-Imprägnierung) oder in einem sog. Resin-Rich-Prozess weiterverarbeitet. Im Vakuum-Druck-Imprägnier Prozess wird das Band um den Leiter gewickelt und anschließend in ein Bad gelegt, welches ein Harz aufweist. Durch Verwendung eines Vakuums und anschließender Druckbeaufschlagung wird das Band mit dem Harz imprägniert. Hohlräume im Band sowie Hohlräume zwischen Band und Leiter werden dadurch mit dem Harz gefüllt. Das Harz wird anschließend durch Wärmezufuhr in einem Ofen ausgehärtet, wodurch das Isolationssystem ausgebildet wird. Im Resin-Rich-Verfahren wird das Band mit dem Harz imprägniert, bevor es um den Leiter gewickelt wird. In diesem Fall liegt das Harz in einem sog. B-Zustand vor, d.h. das Harz liegt derart teilweise vernetzt vor, dass es in einem klebfreien Zustand vorliegt und durch Wärmezufuhr aufweichbar und aushärtbar ist. Die derart imprägnierten Bänder werden um den Leiter gewickelt. Eine Backpresse presst die Bänder, wodurch die Hohlräume gefüllt werden und wobei überschüssiges Harz aus dem gewickelten Band herausläuft. Das Harz wird durch Wärmezufuhr ausgehärtet, wodurch das Isolationssystem ausgebildet wird. Ein Unterschied zwischen den beiden Verfahren ist, dass im Resin-Rich-Verfahren ein höherer Massenanteil von Harz bezogen auf die Isolation erreichbar ist. Der Name Resin-Rich („reich an Harz“, aus dem Englischen) leitet sich von diesem höheren Massenanteil ab.
  • Im Vergleich zu Glimmer hat Harz eine geringe Teilentladungsbeständigkeit, wodurch Isolationssysteme, die durch beide Prozesse hergestellt sind, anfällig für die Bildung von „Treeing“-Kanälen sind. Dadurch ist die Lebensdauer der Isolationssysteme reduziert.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines Bandes für ein Isolationssystem zu schaffen, wobei die Teilentladungsbeständigkeit des Isolationssystems hoch ist und die Lebensdauer des Isolationssystems lang ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Bandes für ein elektrisches Isolationssystem weist folgende Schritte auf: Bereitstellen eines porösen Isolationspapiers; Bereitstellen eines Harzes, in dem nanoskalige Partikel suspendiert sind; Durchtränken des Isolationspapiers mit dem Harz, wodurch das Harz und die Partikel in dem Isolationspapier verteilt werden; Fertigstellen des Bandes.
  • Das derartig hergestellte Band kann vorteilhaft in einem Resin-Rich-Verfahren weiterverarbeitet werden, wodurch ein hoher Massenanteil des Harzes bezogen auf das Isolationssystem erreichbar ist. Wegen des hohen Massenanteils des Harzes ist auch vorteilhaft ein hoher Massenanteil der Nanopartikel bezogen auf das Isolationssystem erreichbar, wodurch die Lebensdauer des Isolationssystem lang ist.
  • Das Band weist bevorzugt eine Trägerstruktur auf. Dadurch wird vorteilhaft eine höhere Festigkeit und eine bessere Verarbeitbarkeit des Bandes erreicht. Bevorzugtermaßen ist das Isolationspapier ein Glimmerpapier. Ferner ist das Harz bevorzugt ein aromatisches Epoxidharz, insbesondere BADGE, BFDGE, epoxidierte Phenolnovolake oder epoxidierte Kresolnovolake, mit einem Anhydrid oder einem Amin als Härter. Bevorzugt wird nach dem Durchtränken des Isolationspapiers mit dem Harz dieses durch eine Wärmezufuhr derart teilweise vernetzt, dass das Harz in einem klebfreien Zustand vorliegt und nachträglich aushärtbar ist. Ferner hat das Band bevorzugtermaßen eine Dicke von 100 µm bis 300 µm.
  • Die Partikel weisen bevorzugt anorganisches Material auf, insbesondere Titandioxid, Siliziumdioxid und/oder Aluminiumoxid. Die anorganischen Partikel haben vorteilhaft eine hohe Teilentladungsbeständigkeit. Ferner haben die Partikel bevorzugt einen Partikeldurchmesser von 1 nm bis 50 nm. Die Partikel haben bevorzugt eine spezifische Oberfläche, die größer als 25 m2/g ist. Durch die hohe spezifische Oberfläche ergibt sich vorteilhaft eine hohe Teilentladungsbeständigkeit des Isolationssystems.
  • Zum Durchtränken des Isolationspapiers mit dem Harz wird bevorzugt zu diesem ein Lösungsmittel gegeben, insbesondere 2-Butanon, Ethanol, Butylacetat oder Ethylacetat, so dass die Viskosität des Harzes abgesenkt wird. Ferner wird bevorzugtermaßen zum Durchtränken des Isolationspapiers mit dem Harz diesem eine Wärmemenge zugeführt, so dass die Viskosität des Harzes abgesenkt wird. D.h., um die Viskosität des Harzes weiter abzusenken, wird bevorzugtermaßen zum Durchtränken des Isolationspapiers mit dem Harz diesem die Wärmemenge zugeführt. Nach dem Durchtränken des Isolationspapiers wird bevorzugt das Lösungsmittel aus dem Isolationspapier entfernt. Hierbei wird die Wärmemenge bevorzugt derart bestimmt, dass beim Entfernen des Lösungsmittels das Harz derart teilweise vernetzt wird, dass das Harz in einem klebfreien Zustand vorliegt und nachträglich aushärtbar ist. Durch die beiden Maßnahmen, nämlich das Zugeben von Lösungsmittel oder die Zuführung einer Wärmemenge zur Viskositätsabsenkung, lassen sich vorteilhaft eine hohe Konzentration der Partikel im Harz erreichen, so dass das Isolationssystem mit dem erfindungsgemäß hergestellten Band einen hohen Massenanteil der Partikel bezogen auf das Isolationssystem hat, wodurch das Isolationssystem eine hohe Teilentladungsbeständigkeit hat. Der Massenanteil der Partikel bezogen auf das Isolationssystem beträgt bevorzugtermaßen mehr als 3 %, insbesondere zwischen 3 % und 10 %.
  • Das erfindungsgemäße Band für ein elektrisches Isolationssystem ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. Das erfindungsgemäße Band umhüllt einen elektrischen Leiter und das Isolationssystem wird durch Pressen des Bandes und durch Aushärten des Harzes mittels Wärmezufuhr hergestellt.
  • Anhand von Beispielen wird im Folgenden das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.
  • Ein poröses Glimmerpapier, welches mit einer Trägerstruktur versehen ist, wird von einem Harz durchtränkt, welches eine epoxidierte Phenolnovolake und ein Anhydrid als Härter aufweist, und in dem Titandioxidpartikel mit einem Partikeldurchmesser von 20 nm suspendiert sind. Zum Durchtränken wird zu dem Harz das Lösungsmittel Ethylacetat gegeben, so dass die Viskosität des Harzes abgesenkt wird. Zur weiteren Absenkung der Viskosität wird das Harz erwärmt, wodurch das Harz auch derart teilweise vernetzt wird, dass es in einem klebfreien Zustand vorliegt und nachträglich aushärtbar ist. Ferner wird das Lösungsmittel nach dem Durchtränken des Glimmerpapiers aus diesem entfernt. Das nach diesem Verfahren fertiggestellte Band wird um einen Leiter gewickelt. Durch Pressen des Bandes in einer Backpresse werden Hohlräume in der Wicklung und zwischen dem Leiter und der Wicklung gefüllt, wobei überschüssiges Harz aus der Wicklung herausläuft. Durch Wärmezufuhr wird das Harz ausgehärtet und das Isolationssystem hergestellt. Die Konzentration der Titandioxidpartikel im Harz wurde so gewählt, dass der Massenanteil der Titandioxidpartikel bezogen auf das Isolationssystem 4 % beträgt.
  • Ein poröses Glimmerpapier, welches mit einer Trägerstruktur versehen ist, wird von einem Harz durchtränkt, welches BADGE und ein Anhydrid als Härter aufweist, und in dem Siliziumdioxidpartikel mit einem Partikeldurchmesser von 10 nm suspendiert sind. Zum Durchtränken wird zu dem Harz das Lösungsmittel Ethanol gegeben, so dass die Viskosität des Harzes abgesenkt wird. Nach Durchtränken wird das Lösungsmittel durch Vakuumtrocknung aus dem Glimmerpapier entfernt. Nach dem Durchtränken und Entfernen des Lösungsmittels wird durch Wärmezufuhr das Harz derart teilweise vernetzt, dass das Harz in einem klebfreien Zustand vorliegt und nachträglich aushärtbar ist. Das nach diesem Verfahren fertiggestellte Band wird um einen Leiter gewickelt. Durch Pressen des Bandes in einer Backpresse werden Hohlräume in der Wicklung und zwischen Leiter und Wicklung gefüllt, wobei überschüssiges Harz aus der Wicklung herausläuft. Durch Wärmezufuhr wird das Harz ausgehärtet und das Isolationssystem hergestellt. Die Konzentration der Siliziumdioxidpartikel im Harz wurde so gewählt, dass der Massenanteil der Siliziumdioxidpartikel bezogen auf das Isolationssystem 6 % beträgt.
  • Ein poröses Glimmerpapier, welches mit einer Trägerstruktur versehen ist, wird von einem Harz durchtränkt, welches BADGE und ein Anhydrid als Härter aufweist, und in dem Siliziumdioxidpartikel mit einem Partikeldurchmesser von 10 nm suspendiert sind. Zum Durchtränken wird zu dem Harz das Lösungsmittel Ethanol gegeben, so dass die Viskosität des Harzes abgesenkt wird. Das Band wird durch Wärmezufuhr getrocknet. Durch eine weitere Wärmezufuhr wird das Harz derart teilweise vernetzt, dass das Harz in einem klebfreien Zustand vorliegt und nachträglich aushärtbar ist. Das nach diesem Verfahren fertiggestellte Band wird um einen Leiter gewickelt. Durch Pressen des Bandes in einer Backpresse werden Hohlräume in der Wicklung und zwischen Leiter und Wicklung gefüllt, wobei überschüssiges Harz und Lösungsmittel aus der Wicklung herausläuft. Durch Wärmezufuhr wird das Harz ausgehärtet und das Isolationssystem hergestellt. Die Konzentration der Siliziumdioxidpartikel im Harz wurde so gewählt, dass der Massenanteil der Siliziumdioxidpartikel bezogen auf das Isolationssystem 3 % beträgt.

Claims (15)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Bandes für ein elektrisches Isolationssystem, mit den Schritten: – Bereitstellen eines porösen Isolationspapiers; – Bereitstellen eines Harzes, in dem nanoskalige Partikel suspendiert sind; – Durchtränken des Isolationspapiers mit dem Harz, wodurch das Harz und die Partikel in dem Isolationspapier verteilt werden; – Fertigstellen des Bandes.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Band eine Trägerstruktur aufweist.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Isolationspapier ein Glimmerpapier ist.
  4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Harz ein aromatisches Epoxidharz, insbesondere BADGE, BFDGE, epoxidierte Phenolnovolake oder epoxidierte Kresolnovolake, mit einem Anhydrid oder einem Amin als Härter ist.
  5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei nach dem Durchtränken des Isolationspapiers mit dem Harz dieses durch eine Wärmezufuhr derart teilweise vernetzt wird, dass das Harz in einem klebfreien Zustand vorliegt und nachträglich aushärtbar ist.
  6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Band eine Dicke von 100 µm bis 300 µm hat.
  7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Partikel anorganisches Material aufweisen, insbesondere Titandioxid, Silziumdioxid und/oder Aluminiumoxid.
  8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Partikel einen Partikeldurchmesser von 1 nm bis 50 nm haben.
  9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Partikel eine spezifische Oberfläche haben, die größer als 25 m2/g ist.
  10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei zum Durchtränken des Isolationspapiers mit dem Harz zu diesem ein Lösungsmittel, insbesondere 2-Butanon, Ethanol, Butylacetat oder Ethylacetat, gegeben wird, so dass die Viskosität des Harzes abgesenkt wird.
  11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei zum Durchtränken des Isolationspapiers mit dem Harz diesem eine Wärmemenge zugeführt wird, so dass die Viskosität des Harzes abgesenkt wird.
  12. Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei nach dem Durchtränken des Isolationspapiers das Lösungsmittel aus dem Isolationspapier entfernt wird.
  13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Massenanteil der Partikel bezogen auf das Isolationssystem mehr als 3 % beträgt, insbesondere zwischen 3 % und 10 %.
  14. Band für ein elektrisches Isolationssystem, wobei das Band mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 hergestellt ist.
  15. Elektrisches Isolationssystem mit einem Band gemäß Anspruch 14, wobei das Band einen elektrischen Leiter umhüllt und wobei das Isolationssystem durch Pressen des Bandes und durch Aushärten des Harzes mittels Wärmezufuhr hergestellt ist.
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