DE102014204416A1

DE102014204416A1 - Isolationsband, dessen Verwendung als elektrische Isolation für elektrische Maschinen, die elektrische Isolation und Verfahren zur Herstellung des Isolationsbandes

Info

Publication number: DE102014204416A1
Application number: DE102014204416.2A
Authority: DE
Inventors: Hermann Bödinger; Florian Eder; Steffen Lang; Carsten Schuh
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2015-09-17
Also published as: JP2017516437A; US20170077775A1; EP3080898A2; WO2015135719A2; WO2015135719A3; CN106104981A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Isolationband (1) in Form eines Partikelverbunds für ein elektrisches Isolationsband, dessen Verwendung als Isolation, die Isolation und die Herstellung des Isolationsbands (1), wobei elektrisch isolierende plättchenförmige Partikel mittels eines elektrisch isolierenden Binders zu einem elektrischen Isoliermaterial in Form eines zumindest teilweise porösen Isolationsbandes (1) verbunden werden. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Isolationsband (1) bei einem unter Zugkraft ausgeführten Wickeln auf eine Leiterstruktur (9, 11) wickelfähig ist, und zwar ohne Zugabe eines einen Wärmefluss zusätzlich hemmenden Materials. Vorteilhaft ist eine gegenüber dem Stand der Technik größere Wärmeleitfähigkeit zur Vermeidung von Wärmestaus und Totalausfällen insbesondere von Hauptisolierungen (7).

Description

Die Erfindung betrifft ein Isolationsband nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs, dessen Verwendung als elektrische Isolierung für elektrische, insbesondere rotierende, Maschinen, die elektrische Isolierung und ein Verfahren zur Herstellung des Isolationsbands.
In rotierenden elektrischen Maschinen, wie Motoren oder Generatoren, ist die Zuverlässigkeit des Isoliersystems maßgeblich für deren Betriebssicherheit verantwortlich. Das Isoliersystem hat die Aufgabe, elektrische Leiter, und zwar Drähte, Spulen, Stäbe, Teilleiter usw., dauerhaft gegeneinander und gegen das Ständerblechpaket oder die Umgebung zu isolieren. Innerhalb einer Hochspannungsisolierung unterscheidet man die Isolierung zwischen Teilleitern, die Teilleiterisolierung genannt wird, zwischen den Leitern beziehungsweise Windungen, die Leiter- beziehungsweise Windungsisolierung genannt wird, und zwischen Leiter und Massepotential im Nut- und Wickelkopfbereich, die als Hauptisolierung bezeichnet wird. Die Dicke der Hauptisolierung ist sowohl der Nennspannung der Maschine als auch den Betriebs- und Fertigungsbedingungen angepasst. Die Wettbewerbsfähigkeit zukünftiger Anlagen zur Energieerzeugung, deren Verteilung und Nutzung, hängt in entscheidendem Maße von den eingesetzten Materialien und angewendeten Technologien zur Isolation ab. Das grundlegende Problem bei derartig elektrisch belasteten Isolatoren liegt in der sogenannten teilentladungsinduzierten Erosion, mit sich ausbildenden sogenannten "Treeing"-Kanälen, die letztendlich zum elektrischen Durchschlag des Isolators führen. Diese Barriere gegenüber der Ausbreitung von Treeing-Kanälen wird aktuell durch den Einsatz von Glimmer, welcher in Form von Glimmerpapier zur Anwendung kommt, erreicht. Bei der Herstellung von Glimmerpapier werden hierfür Glimmerpartikel mit einem Aspektverhältnis von mindestens 10 eingesetzt. Das heißt, das Verhältnis aus Länge und Breite auf der einen Seite und der Plättchendicke auf der anderen Seite, liegt bei mindestens 10. Durch die sich so ergebenden großen Oberflächen können sich die Partikel zueinander orientiert und damit dicht anlagern, so dass sich ein mechanisch beanspruchbares Glimmerpapier bildet. Die sich durch diese Wechselwirkung der Oberflächen ergebenden Bindungskräfte hängen direkt mit den Kontaktflächen benachbarter Partikel zusammen. Dies ergibt sich thermodynamisch aufgrund der Wechselwirkung der Primärpartikel durch Van der Waals-Kräfte oder Wasserstoffbrückenbindungen. Somit erhält man ein flexibles Papier, das um elektrische Leiter gut wickelbar und mittels eines Reaktionsharzes imprägnierbar ist, und gleichzeitig eine gute Barriere gegenüber Treeing-Kanälen aufweist. Darüber hinaus müssen die Partikel eine große Beständigkeit gegenüber Teilentladungen aufweisen, die im Betrieb der rotierenden Maschine unablässig auftreten. Aufgrund der anorganischen Struktur des Glimmers besitzt dieser von sich aus eine hohe Teilentladungsresistenz. Das Glimmerpapier wird zur weiteren Verbesserung der mechanischen Festigkeit auf einen Träger aus Glas- oder Polyestergewebe aufgebracht und abschließend in einen Verbundwerkstoff umgewandelt. Erreicht wird dies, indem man das Papier mittels eines flüssigen und reaktiven Polymers imprägniert und in einem Folgeschritt aushärtet. Bisher sind Isolierbänder bekannt, die beispielsweise ein Gewebe oder ein Glimmermaterial umfassen, wobei ein Kleber die beiden Komponenten so verbindet, dass ein sogenanntes Glimmschutzband entsteht. Es wird unter anderem eingesetzt, um elektrische Leiter in Hochspannungsmaschinen und Hochspannungsgeneratoren elektrisch zu isolieren. Die Wärmeleitfähigkeit von üblicherweise eingesetzten mit Epoxidharzen imprägniertem Glimmerpapier auf Glas oder Polyestergewebe als Trägermaterial beträgt ca. 0,2–0,25 W/mK bei Raumtemperatur. Der sich daraus ergebende Isolierstoff weist neben guten elektrischen Eigenschaften somit auch thermisch isolierende Eigenschaften auf. Im Betrieb entsteht deshalb ein Wärmestau bei großen rotierenden Maschinen. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit der Glimmerisolierung kann die entstehende Wärme im Kupferleiter nur bedingt an den Stahl des Stators abgegeben werden. Dieser Wärmestau ist besonders stark im Generatormittelteil ausgeprägt. Zudem können aufgrund von Inhomogenitäten und Fehlstellen in der Hauptisolation lokal teilentladungsbedingte Temperaturerhöhungen auftreten, welche die Harzkomponente der Hauptisolation altern lassen. Bei fortgeschrittener Alterung kann es zum Erdschluss der Kupferleiter kommen und damit zum Komplettausfall der elektrisch rotierenden Maschine.
Generatoren werden je nach Leistungsklasse mittels Luft, Wasserstoff oder Wasser gekühlt. Aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit der Hauptisolation, die < 0,3 W/mK ist, kann jedoch trotz Kühlung die Joulsche Wärme im Kupferleiter nicht zügig ans Blechpaket abgegeben werden. Je nach Wärmeentwicklung im elektrischen Leiter muss die Kühlung von Luft auf Wasserstoff geändert werden, beziehungsweise bei noch größerer Wärmeentwicklung in den leistungsstärksten Generatoren muss diese Wasserstoffkühlung zusätzlich von einer Wasserkühlung unterstützt werden. Versuche, die Wärmeleitfähigkeit der Isolation zu erhöhen, erfolgten herkömmlicherweise überwiegend durch die Einbringung wärmeleitfähiger Partikel, wie beispielsweise BN, Diamant, Al₂O₃ oder TiO₂. Da diese Materialien jedoch aufgrund ihrer Abmessung oder ihrer physikalischen Eigenschaften praktisch keinen positiven Einfluss auf die elektrische Festigkeit des Isoliersystems haben, können sie nur in Kombination mit Glimmer zum Einsatz kommen. Von einer Firma mit dem Namen von Roll-Isola Holding Ltd., Edenstraße 20, CH-8045 Zürich, wurde ein Glimmerband entwickelt, das mit einer Bornitrid-haltigen Schicht versehen ist. Dabei ist eine maximale Wärmeleitfähigkeit von 0,5 W/mK bei Raumtemperatur erreicht worden. Nachteil dieses bekannten Glimmerbandes ist, dass die Schichtdicke des Bandes vergrößert wird und das Bornitrid eine anisotrope Wärmeleitfähigkeit hat, die einen Einsatz in der Praxis stark einschränkt. Das Bornitrid weist eine geringe Wärmeleitfähigkeit senkrecht zum Isoliersystem auf.
Gemäß dem Patent EP 1 643 511 werden Glimmerschutzbänder beschrieben, die Aluminiumoxid als Trägergewebe verwenden. Dies weist den Nachteil auf, dass das Gewebe keinen Beitrag zur elektrischen Festigkeit der Isolation liefert, weshalb der Volumenanteil an Gewebe innerhalb der Isolierung beschränkt ist, da ansonsten die elektrische Festigkeit stark einschränkt wird.
Ebenfalls aus der US 2007/0141324 ist bekannt, dass planares Aluminiumoxid als direkter Glimmerersatz eingesetzt wird. Es existieren eine Vielzahl von Anmeldungen, die sich auf die Einbringung wärmeleitfähiger Partikel in das Imprägnierharz oder in den Glimmer beschäftigen, die aber alle nicht ohne die Verwendung von Glimmer auskommen und demnach immer nur eine geringe Vergrößerung der Wärmeleitfähigkeit ermöglichen.
Weiterhin ist es bekannt, für VPI-Prozesse wärmeleitfähige Partikel zuzusetzen. Die US 2005/0274450 beschreibt ein Verfahren zum Verpressen von harzimprägnierten Isolierbändern, denen hochwärmeleitfähige Partikel, wie beispielsweise Siliziumoxid, Aluminiumoxid und weitere in einem Volumenanteil von 5 bis 60 Vol.-% zugesetzt sind.
Die US 7,776,392 beschreibt ein Verbundisolierband, welches hochwärmeleitfähige Komponenten enthält, wobei diese in der Harzmischung vorhanden sind und das Verbundband durchdringen.
Die WO 2007/114876 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Bandes mit hochleitfähigen Partikeln. Diese werden zur rückseitigen Imprägnierung eines Verbundbandes verwendet, so dass mindestens 1% der im Harz enthaltenen wärmeleitfähigen Partikel in das Gewebe vordringen.
Die WO 2008/091489 beschreibt ein Isolierband mit einer Vielschicht-Plättchenstruktur. Die Isolierung besteht hier aus einer Mischung von Glimmer- und Bohrnitrid-Plättchen.
Die US 2012/0009408 beschreibt ein vorimprägniertes hochwärmeleitfähiges Glimmerpapier, bei dem eine meso-mikro-Mischung von hochwärmeleitfähigen Plättchen, bevorzugt aus Bornitrid, bevorzugt zwischen Gewebe und Glimmerlage angeordnet sind.
Alle diese Verfahren beschränken sich ausschließlich auf eine Anwendung in der sogenannten Resin-Rich-Technologie und sind damit ungeeignet für einen VPI-Prozess.
Die EP 12 715 081 und die WO 2011/138273 A1 beschreiben die Herstellung eines wickelbaren Bandes aus planarem Al₂O₃, welches das standardmäßig eingesetzte Glimmerpapier vollständig subsituieren soll und welches im Vergleich zum Glimmer sich durch eine wesentlich höhere Wärmeleitfähigkeit auszeichnet. Die Materialkosten belaufen sich jedoch auf ein Vielfaches, ca. um den Faktor 100, des herkömmlicherweise eingesetzten Glimmerpapieres. In diesen beiden Patentanmeldungen wird die Herstellung und Verwendung eines Aluminiumoxidbandes als Ersatz für das konventionelle Glimmermaterial mit dem Ziel einer gesteigerten Wärmeleitfähigkeit in der Hauptisolierung beschrieben. Dabei wird in einem Bandgießprozess eine wässrige Aluminiumoxid-Partikellösung auf ein Glasgewebe aufgetragen, anschließend getrocknet und zur Festigkeitssteigerung mit einem Bandlack versehen. Das fertige Band kann nun zum Wickeln der Hauptisolierung verwendet werden. Bei identischen Aufbauten bei Ersatz des Glimmers durch das Aluminiumoxid kann die Wärmeleitfähigkeit der Hauptisolierung lediglich verdoppelt werden. Deutlich größere Wärmeleitfähigkeiten als 0,5 W/mK sind mit diesem Lösungsansatz nicht zu erreichen.
Es ist Aufgabe der Erfindung eine elektrische Isolierung für elektrische, insbesondere rotierende, Maschinen derart bereit zu stellen, das der elektrische Widerstand groß und die thermische Wärmeleitfähigkeit der Isolierung groß, insbesondere größer 0,5 W/mK, ist und eine Alterung wirksam verzögert ist. Es sollen elektrische Maschinen mit Nennleitungen insbesondere im Kilowatt oder Megawattbereich elektrisch isoliert werden. Es soll insbesondere eine elektrisch verursachte Alterung wirksam verzögert werden.
Die Aufgabe wird durch ein Isolationsband gemäß dem Hauptanspruch, dessen Verwendung, elektrische Isolierung und Herstellung gemäß den Nebenansprüchen gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Isolationsband in Form eines Partikelverbundes für das elektrische Isolationsband vorgeschlagen, wobei elektrisch isolierende plättchenförmige Partikel mittels eines elektrisch isolierenden Binders zu einem elektrischen Isoliermaterial in Form eines zumindest teilweise porösen Isolationsbandes verbunden werden und das Isolationsband bei einem unter Zugkraft ausgeführten Wickeln auf eine Leiterstruktur wickelfähig ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt erfolgt eine Verwendung des Isolationsbandes, wobei ein Wickeln des Isolationsbandes mittels dessen direkten Aufbringens auf die Leiterstruktur ausgeführt wird.
Gemäß einem dritten Aspekt wird eine elektrische Isolation, insbesondere Hauptisolation für eine elektrische Maschine, insbesondere rotierende Maschine, geschaffen, wobei ein erfindungsgemäßes Isolationsband nach einer erfindungsgemäßen Verwendung versetzt überlappend auf oder an eine Leiterstruktur der Maschine gewickelt wurde.
Gemäß einem vierten Aspekt wird ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Isolationsbandes vorgeschlagen, bei dem die plättchenförmigen Partikel Metalloxidplättchen oder Glimmerplättchen sind.
Es wird vorgeschlagen, ein neuartiges, wickelfähiges und durchimprägnierbares Isolationsband aus plättchenförmigen Partikeln zu verwenden, welches ohne herkömmlicherweise verwendetes Glasfasergewebe auskommt. Dieses Gewebe dient ausschließlich der Verbesserung von Wickeleigenschaften und einer mechanischen Stabilität im Betrieb. Ein erfindungsgemäßes Isolationsband besteht folglich maßgeblich aus den plättchenförmigen Partikeln und einem Binder, ist aber zumindest teilweise porös und damit imprägnierbar.
Durch das Wegfallen von herkömmlichen Gewebe/Kunststoff-Zwischenschichten ist eine wirksame Vergrößerung der Gesamtwärmeleitfähigkeit der elektrischen Isolierung möglich, die insbesondere eine Hauptisolierung sein kann. Grund hierfür ist die serielle Verschaltung von thermischen Widerständen, insbesondere in einer radialen Richtung, die besagt, dass die gesamte Wärmeleitfähigkeit einer Hauptisolation beziehungsweise Isolation durch den größten sich in Serienschaltung befindlichen thermischen Widerstand festgelegt wird.
Wird wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine Isolierung, insbesondere Hauptisolierung gewebelos aufgebaut, so wird die Wärmeleitfähigkeit ausschließlich durch die Kunststoffschicht mit den plättchenförmigen Partikeln bestimmt. Es kann sich eine mehrfach höhere Wärmeleitfähigkeit des Gesamtisolationssystems ergeben.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Isolationsband für das Wickeln bereits ohne wärmeisolierend wirkende Zusätze eine ausreichende Zugfestigkeit und Flexibilität aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann aus dem elektrischen Isoliermaterial zuerst ein Isolationspapier und daraus ein Band von dem Isolationspapier als Isolationsband erzeugt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Isolationsband das Wickeln auf einem vorübergehenden Trägerband lösbar befestigt sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann aus dem elektrischen Isoliermaterial zuerst ein Isolationspapier, daraus ein Band von dem Isolationspapier erzeugt werden und dieses als Isolationsband auf dem vorübergehenden Trägerband lösbar befestigt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Wickeln des Isolationsbandes mittels dessen Aufbringens auf die Leiterstruktur erfolgen, wobei das vorübergehende Trägerband parallel zum Aufbringen von dem Isolationsband getrennt wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das vorübergehende Trägerband nach dem Aufbringen von dem Isolationsband getrennt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das vorübergehende Trägerband vor dem Aufbringen von dem Isolationsband getrennt werden, und zwar insbesondere unmittelbar vor dem Aufbringen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das vorübergehende Trägerband beim Aufbringen von dem Isolationsband kontinuierlich abgezogen werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Isolationsband versetzt überlappend auf die Leiterstruktur gewickelt werden. Das heißt, das Isolationsband bedeckt beim Wickeln lediglich einen Teilbereich des bereits aufgebrachten Isolationsbandes.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann beim Wickeln des Isolationsbandes auf die Leiterstruktur eine Überlappung des Isolationsbandes von insbesondere 50 % erfolgen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann nach dem Wickeln von dem Isolationsband der Binder entfernt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann nach dem Wickeln das Isolationsband imprägniert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die plättchenförmigen Partikel Metalloxid-Plättchen oder Glimmer- Plättchen sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Metalloxid-Plättchen Aluminiumoxid-Plättchen sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Binder polymerbasiert sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Binder ein epoxidiertes Novolack-System sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann aus dem elektrischen Isoliermaterial zuerst ein Isolationspapier und daraus ein Band von dem Isolationspapier als das Isolationsband erzeugt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Isolationsband auf einem vorübergehenden Trägerband aufgebracht und lösbar befestigt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Isolationsband als ein organisches oder wässriges Schlickersystem auf das vorübergehende Trägerband foliengegossen oder foliengezogen und danach getrocknet werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Isolationsband vor dem Wickeln zu einem Wickelband konfektioniert werden.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Hauptisolierung;
2 einen weitere Ansicht zur herkömmlichen Hauptisolierung;
3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Hauptisolierung;
4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wickelns;
5 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Isolationsbandes;
6 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verwendung eines erfindungsgemäßen Isolationsbandes.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Hauptisolation beziehungsweise Hauptisolierung. Zwischen einer Innenelektrode 9 und einer Außenelektrode 11 ist die herkömmliche Hauptisolation 7 angeordnet. Diese wird durch mehrere Lagen aus Al₂O₃/Kunststoff auf Glasgewebe/Kunststoff geschaffen. Bezugszeichen 7a bezeichnet eine Al₂O₃/Kunststoff-Lage und Bezugszeichen 7b bezeichnet eine Glasgewebe/Kunststoff-Lage, auf der die Lage 7a jeweils aufgebracht worden ist. In den Querschnitt gemäß 1 dienen mehrere Lagen 7a und 7b zur Erzeugung der Hauptisolierung 7, die sich aus der Wicklung der Lagen 7a und 7b ergibt. Zwischen den eigentlichen elektrischen Isolatorschichten 7a befinden sich die Gewebe/Kunststoff-Zwischenschichten 7b, die einer Vergrößerung der Gesamtwärmeleitfähigkeit der Hauptisolierung im Wege stehen. Grund hierfür ist die serielle Verschaltung von thermischen Widerständen, die besagt, dass die gesamte Wärmeleitfähigkeit der Hauptisolation durch den größten sich in Serienschaltung befindlichen thermischen Widerstand festgelegt wird. Gemäß diesem herkömmlichen Ausführungsbeispiel sind dies die Glasgewebe/Kunststoff-Lagen mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,2W/Kühlmittel. Eine gewebefreie Aluminiumoxid-Kunststoffschicht weist hingegen eine vielfach so hohe Wärmeleitfähigkeit von > 0,8 W/mK auf. Die gemäß 1 dargestellte Serienschaltung würde aufgrund der unterschiedlichen thermischen Leitfähigkeiten der Einzellagen eine Gesamtwärmeleitfähigkeit von 0,3 bis 0,4 W/mK bereitstellen.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Hauptisolation, bei der herkömmliche Schichten aufeinander gewickelt sind. 2 zeigt eine herkömmliche Schichtfolge einer Al₂O₃-Kunststoffschicht 7a auf einer Glasgewebe/Kunststoff-Zwischenschicht 7b. 2 zeigt eine Überlappung von 50% des gewickelten Isolationsbandes. Die thermisch schlecht leitfähige Glasgewebe-Kunststoff-Schicht 7b trägt nicht zur Verbesserung der elektrischen Erosionsbeständigkeit bei. Grund hierfür ist, dass sich ausbildende Treeing-Kanäle diese ohne Wegverlängerung (wie beim plättchenförmigen Metalloxid) senkrecht zur Hauptisolierung passieren können. Beim Wickeln der Hauptisolierung 7 wird üblicherweise mit 50% Bandüberlappung gearbeitet. Wird ein Wickelband mit Glasgewebesupport 7b verwendet, so stellt der Glasgewebe/Kunststoffbereich 7b den deutlich erosionsschwächeren Bestandteil dar, so dass ein sich ausbildender Treeing-Kanal ohne großen Widerstand geradlinig am Glasgewebe 7b entlang entstehen kann. Der erosionsfeste, mit plättchenförmigen Füllstoff versehene Bereich 7a wird also umgangen.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Isolierung, insbesondere Hauptisolation. Es wird eine gewebefreie Kunststoffschicht mit plättchenförmigen Partikeln, insbesondere Al₂O₃-Partikeln verwendet, wobei eine herkömmliche erosionsanfällige Glasgewebe/Kunststoffschicht 7b entfällt und bei gleicher Gesamtschichtdicke die Erosionsbeständigkeit der gesamten Hauptisolation vergrößert ist. Aufgrund der sich ergebenden Verlängerung der Treeing-Kanäle vergrößert sich die durchschnittliche Lebensdauer der Hauptisolierung und die Ausfallwahrscheinlichkeit des gesamten Generators verringert sich. Bei der elektrischen Erosion des polymeren Isolationssystems ist die kinetische Energie der Elektronenlawine maßgebend. Diese ist direkt proportional zum Ausmaß der Schädigung der Kunststoffisolation und deren Ausbreitungsgeschwindigkeit. Diese kinetische Energie wird bei konstanter Feldstärke, die hier vorhanden ist, bestimmt, durch die Beschleunigungsstrecke im gasförmigen Dielektrikum, beispielsweise in einer Pore oder einem bereits ausgebildeten Erosionskanal, also dem Weg, auf dem das Feld auf die Elektronen einwirkt, ohne dass ein Hindernis in Form eines Feststoffes diese abbremst. Durch den geänderten Aufbau der Hauptisolierung 7 werden diese langen Beschleunigungswege nun vermieden, da alle Bereiche der Hauptisolierung 7 mit Treeing-Kanal-verlängernden, teilentladungsresistenten Plättchenpartikeln gefüllt sind. Dies verzögert die Ausbreitung von Erosionsschäden und steigert wiederum die Lebensdauer der Isolierung 7. Im Falle der erfindungsgemäßen glasgewebefreien Wicklung ist dieser erosionsschwache Teilbereich nicht mehr vorhanden. Der Erosionspfad muss sich durch die ausgerichtete Plättchenstruktur hindurch bahnen und dadurch einen deutlich verlängerten Weg in Kauf nehmen. Dies verbessert die Erosionsfestigkeit maßgeblich und trägt wiederum zu einer Lebensdauerverlängerung des Gesamtisoliersystems bei, so wie dies 3 darstellt.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verwendung eines erfindungsgemäßen elektrischen Isolationsbands 1. 3 zeigt als Isolationsband 1 ein Aluminiumoxidband, wobei dieses zur elektrischen Isolierung elektrischer, insbesondere rotierender, Maschinen, insbesondere dauerhaften elektrischen Hochspannungsisolierung, insbesondere zwischen Leiter und Massepotential in einem Nut- und Wickelkopf, als Hauptisolierung 7 verwendet wird. Das Aluminiumoxidband wird um einen Bereich der Maschine, insbesondere in dem Nut- und Wickelkopf, derart gewickelt, dass es sich um 50% überlappt, beziehungsweise, dass benachbarte Umwicklungen zueinander um die Hälfte der Breite des Isolationsbandes 1 verschoben sind.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wickelns. Nach einem Durchlaufen des auf einem Trägerband 3 lösbar fixierten Isolationsbandes 1 durch eine Kaschierrolle 5 kann das Isolationsband 1 in Form einer Folie auf die Leiterstruktur gewickelt und davor von dem Trägerband 3 getrennt werden. 4 zeigt, wie das Isolationsband um die Leiterstruktur, beispielsweise eine Leiterstruktur 9, gewickelt wird. Ebenso kann das Trägerband 3 aufgewickelt und entsprechend wieder verwendet werden. Bei dem Wickeln des Isolationsbandes 1 um die Leiterstruktur 9 muss die Kombination Isolationsband 1 auf Trägerband 3 bei einem maschinellen Wickeln, das unter einer mechanischen Vorspannung ausgeführt wird, eine ausreichende Zugfestigkeit aufweisen. Ebenso muss die Kombination wickelfähig sein und ebenso eine entsprechende Flexibilität aufweisen. Bei dem Wickeln ist insbesondere darauf zu achten, dass zwischen der aufgebrachten Folie oder des aufgebrachten Isolationsbandes 1 keine Luft zwischen den einzelnen Wicklungen eingeschlossen wird.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Isolationsbandes 1 mit ausreichender Flexibilität zum Wickeln, wobei eine ausreichende Zugfestigkeit vorübergehend mittels eines Trägerbandes 3 geschaffen wird. Mit einem ersten Schritt S1 erfolgt ein Erzeugen eines grünen Isolationsbandes 1 mittels Foliengießen oder Folienziehen eines organischen oder wässrigen Schlicker- Systems S auf einem eine mechanische Stabilität bis zum Wickeln bereitstellenden Trägerband 3. Dabei kann eine Anorganik A Füllstoffe und beispielsweise plattenförmiges Al2O3 und eine in einem Lösungsmittel gelöste Organik O Binder, Dispergatoren und/oder Weichmacher aufweisen. Mit einem zweiten Schritt S2 kann ein Trocknen ausgeführt werden. Mit einem dritten Schritt S3 erfolgt ein Konfektionieren zu einem Wickelband.
Alternativ kann gemäß 5 ein weiteres Verfahren zum Herstellen eines porösen Partikelverbunds für ein erfindungsgemäßes elektrisches Isolationsband 1, mit den Schritten:
Mit einem Schritt S1 erfolgt ein Mischen einer Dispersion aus plättchenförmigen Partikeln, einem Trägerfluid und einem Funktionalisierungsmittel, das in dem Trägerfluid verteilt ist und in der Dispersion einen Massenanteil hat, der bezogen auf den Massenanteil der Partikel einem vorherbestimmten Massenverhältnis entspricht; ein Erzeugen eines Bodensatzes durch Sedimentation der Dispersion, wodurch die plättchenförmigen Partikel im Wesentlichen schichtartig planparallel in dem Bodensatz angeordnet werden und ein Entfernen des Trägerfluids aus dem Bodensatz. Mit einem zweiten Schritt S2 erfolgt dann ein Einbringen von Energie in den Bodensatz zum Überwinden der Aktivierungsenergie derjenigen chemischen Reaktion des Funktionalisierungsmittels mit den Partikeln, die unter Kuppeln der Partikel via das Funktionalisierungsmittel aus dem Bodensatz den Partikelverbund ausbildet, wobei das Massenverhältnis derart vorherbestimmt wird, dass der Partikelverbund eine poröse Struktur hat.
Eine mögliche Herstellungsvariante eines erfindungsgemäßen Isolationsbandes 1 beispielsweise aus Aluminiumoxid- oder Glimmerplättchen und einem epoxidierten Novolack-System kann also ein Foliengießen beziehungsweise ein Folienziehen ausgehend von einem organischen oder wässrigen Schlickersystem auf einem die mechanische Stabilität bis zur Wicklung sicherstellenden Trägerband 3 darstellen.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verwendung eines erfindungsgemäßen Isolationsbandes 1. Es wird bei einem Wickeln W des Isolationsbandes 1 auf einen elektrischen Leiter unter einer mechanischen Vorspannung parallel dazu ein kontinuierliches Abziehen Ab des vorübergehenden Trägerbandes 3 von dem noch grünen Isolationsband 1 direkt nach einem schrittweisen Aufbringen des grünen Isolationsbandes 1 auf eine Leiterstruktur ausgeführt. Auf der zu isolierenden Leiterstruktur verbleibt nun einer Wicklung des noch grünen Isolationsbandes 1. Es kann danach ein Schritt E eines Entbindern der Wicklung des grünen Isolationsbandes folgen. Abschließend kann ein Imprägnieren I der Wicklung des grünen Isolationsbandes ausgeführt werden.
Bei der Wicklung kann das Trägerband 3 direkt nach einem sukzessiven Aufbringen des Isolationsbandes 1 auf die Leiterstruktur 9 kontinuierlich von diesem abgezogen werden. Es findet so lediglich de facto eine Wicklung des eigentlichen Isolationsbandes 1 statt, so dass nur "aktives" Isolationsmaterial, das auch vollständig tränkbar ist, auf dem zu isolierenden Leiter 9 verbleibt. Das so entstandene grüne Folienband kann nach der Wicklung optional noch entbindert werden, um den Anteil an offener und damit imprägnierbarer Porosität im Material zu erhöhen. Ein geformtes Folienband kann als grünes Folienband bezeichnet werden, das nach dem Entbindern braunes Folienband genannt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1643511 [0004]
US 2007/0141324 [0005]
US 2005/0274450 [0006]
US 7776392 [0007]
WO 2007/114876 [0008]
WO 2008/091489 [0009]
US 2012/0009408 [0010]
EP 12715081 [0012]
WO 2011/138273 A1 [0012]

Claims

Isolationsband (1) in Form eines Partikelverbunds für ein elektrisches Isolationsband, wobei elektrisch isolierende plättchenförmige Partikel mittels eines elektrisch isolierenden Binders zu einem elektrischen Isoliermaterial in Form eines zumindest teilweise porösen Isolationsbandes verbunden werden; dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsband bei einem unter Zugkraft ausgeführten Wickeln auf eine Leiterstruktur (9, 11) wickelfähig ist.
Isolationsband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsband (1) für das Wickeln ohne wärmeisolierend wirkende Zusätze eine ausreichende Zugfestigkeit und Flexibilität aufweist.
Isolationsband nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem elektrischen Isoliermaterial zuerst ein Isolationspapier und daraus ein Band von dem Isolationspapier als Isolationsband (1) erzeugt wurde.
Isolationsband nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsband (1) für das Wickeln, insbesondere mittels einer Kaschierrolle (5), auf einem vorübergehenden Trägerband (3) lösbar befestigt ist.
Isolationsband nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem elektrischen Isoliermaterial zuerst ein Isolationspapier, daraus ein Band von dem Isolationspapier erzeugt wurde und dieses als Isolationsband (1) auf dem vorübergehenden Trägerband (3) lösbar befestigt wurde.
Verwendung eines Isolationsbandes nach einem der vorherigen Ansprüche 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch Wickeln des Isolationsbandes (1) mittels dessen Aufbringens auf die Leiterstruktur (9, 11).
Verwendung eines Isolationsbandes nach einem der vorherigen Ansprüche 4 oder 5, gekennzeichnet durch Wickeln des Isolationsbandes (1) mittels dessen Aufbringens auf die Leiterstruktur (9, 11), wobei das vorübergehende Trägerband (3) parallel zum Aufbringen von dem Isolationsband (1) getrennt wird.
Verwendung eines Isolationsbandes nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das vorübergehende Trägerband (3) nach dem Aufbringen von dem Isolationsband (1) getrennt wird.
Verwendung eines Isolationsbandes nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das vorübergehende Trägerband (3) vor dem Aufbringen von dem Isolationsband (1) getrennt wird.
Verwendung eines Isolationsbandes nach einem der vorherigen Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das vorübergehende Trägerband (3) beim Aufbringen von dem Isolationsband (1) kontinuierlich abgezogen wird.
Verwendung eines Isolationsbandes nach einem der vorherigen Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsband (1) versetzt überlappend auf die Leiterstruktur (9, 11) gewickelt wird.
Verwendung eines Isolationsbandes nach einem der vorherigen Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Wickeln des Isolationsbandes (1) auf die Leiterstruktur (9, 11) eine Überlappung des Isolationsbandes (1) von jeweils 40% bis 60%, insbesondere 50%, erfolgt.
Verwendung eines Isolationsbandes nach einem der vorherigen Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Wickeln von dem Isolationsband (1) der Binder entfernt wird.
Verwendung eines Isolationsbandes nach einem der vorherigen Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Wickeln das Isolationsband (1) imprägniert wird.
Elektrische Isolation, insbesondere Hauptisolation (7), für eine elektrische Maschine, insbesondere rotierende Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass ein Isolationsband (1) gemäß den Ansprüchen 1 bis 5 nach einer Verwendung gemäß den Ansprüchen 6 bis 14 versetzt überlappend auf oder an eine Leiterstruktur (9, 11) der Maschine gewickelt wurde.
Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Isolationsbandes nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die plättchenförmigen Partikel Metalloxidplättchen oder Glimmerplättchen sind.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloxidplättchen Aluminiumoxidplättchen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder polymerbasiert ist.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder ein epoxidiertes Novolack-System ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem elektrischen Isoliermaterial zuerst ein Isolationspapier und daraus ein Band von dem Isolationspapier als das Isolationsband (1) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsband (1) auf einem vorübergehenden Trägerband (3) aufgebracht und lösbar befestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsband (1) als ein organisches oder wässriges Schlickersystem auf das vorübergehende Trägerband (3) foliengegossen oder foliengezogen und danach getrocknet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Wickeln das Isolationsband (1) zu einem Wickelband konfektioniert wird.