DE102020211111A1

DE102020211111A1 - Pulverlack-Formulierung für ein Isolationssystem einer elektrischen Maschine, elektrische Maschine mit einem solchen Isolationssystem und Verfahren zum Herstellen eines solchen Isolationssystems

Info

Publication number: DE102020211111A1
Application number: DE102020211111.1A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Huber; Steffen Lang; Marek Maleika; Lisa Sponsel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2020-09-03
Filing date: 2020-09-03
Publication date: 2022-03-03
Also published as: CN116057814A; WO2022048992A1; US20230318384A1; EP4183028A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pulverlackformulierung für ein Isolationssystem (12) einer elektrischen Maschine (10), insbesondere einer rotierenden elektrischen Maschine (10) mit einer Bemessungsspannung von mindestens 700 V, umfassend wenigstens eine härtbare Harzformulierung, wobei die Pulverlackformulierung zusätzlich sphärische Quarzgut- Füllstoffpartikel umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Maschine (10), umfassend zumindest einen Leiter (8) und ein solches Isolationssystem (12) sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Isolationssystems (12) einer elektrischen Maschine (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Pulverlackformulierung für ein Isolationssystem einer elektrischen Maschine, insbesondere einer rotierenden elektrischen Maschine mit einer Bemessungsspannung von mindestens 500V bis 700V. Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Maschine mit einem solchen Isolationssystem sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Isolationssystems einer elektrischen Maschine.
Es werden immer leistungsstärkere elektrische Maschinen, wie beispielsweise Generatoren, entwickelt, da die fortschreitende Technik immer höhere Leistungsdichten verlangt. Ein leistungsstarker Generator, wie beispielsweise ein Turbogenerator, weist insbesondere einen Ständer oder Stator mit einem Ständerblechpaket und einer Mehrzahl an Generatornuten, in denen sich das Isolationssystem, in der Regel in Form von Wicklungen, befindet. Grundsätzlich wird ab einer Bemessungsspannung von 1000V eine gewickelte Isolation eingesetzt, bei elektrischen Maschinen unter 1000V, beispielsweise bei Traktionsmotoren, werden Nut-Einleger Isolationen eingesetzt.
Für die Zuverlässigkeit, Sicherheit und den Wirkungsgrad einer elektrischen Maschine, beispielsweise eines Generators für den Bereich der Bemessungsspannung von mindestens 500V, insbesondere mindestens 700V, bis in den Hochspannungsbereich hinein ist das Isolationssystem von entscheidender Bedeutung. Dies betrifft den Niederspannungsbereich genauso wie den Hochspannungsbereich von mehr als 52kV.
Während des Betriebs solcher Maschinen sind Feldstärken innerhalb des Isolationssystems von mehreren kV/mm keine Seltenheit. Dementsprechend stark wird das Isolationssystem beansprucht. Das Isolationssystem von Generatoren, basierend auf z.B. epoxidharzimprägnierten Glimmerbändern, sorgt für die Isolation des oder der unter Hochspannung stehenden Leiter gegen den geerdeten Stator. Es besitzt eine hohe Teilentladungseinsetzspannung, was es ermöglicht, bis zu 3,5 kV pro Millimeter oder mehr dauerhaft abzubauen.
Derzeit bekannte Formulierungen auf Harzbasis zur Herstellung von Isolierungssystemen, umfassen neben einer härtbaren Harzformulierung beispielsweise auf Epoxidbasis häufig Füllstoffe mit einer hohen spezifischen Oberfläche. Je nach Anwendung können weitere Additive zugegeben sein, z.B. Initiatoren bzw. Beschleunigersubstanzen, die initiierend auf die Härtung einer aufgebrachten Imprägnier- und/oder Pulverlackformulierung zu einem festen Isolierungssystem wirken. Eine Imprägnier-Formulierung liegt im Wesentlichen flüssig vor, wohingegen eine Pulverlackformulierung ein pulvriges Gemisch ist und als Mischung von Feststoffen vorliegt. Als Füllstoff wird in beiden Fällen nach dem Stand der Technik beispielsweise Glimmer verwendet, da es als partikel-, insbesondere als plättchenförmiger, anorganischer Barrierewerkstoff die elektrische Erosion unter elektrischen Teilentladungen wirkungsvoll und dauerhaft, vorzugsweise über die gesamte Lebensdauer der Maschine oder des Generators hinweg, zu retardieren vermag und gute chemische sowie thermische Beständigkeit aufweist.
Allerdings erhöhen die bekannten Füllstoffe die Viskosität der Formulierungen erheblich. Eine hohe Viskosität einer Formulierung zur Herstellung eines Isolationssystems, sei es durch Versprühen, Eintauchen in ein Wirbelbett, Beschichten und/oder durch Imprägnieren mit einer Flüssigkeit, führt aber zu einer schlechten Entgasbarkeit, wodurch Poren, insbesondere mit Luft gefüllte Poren, im gehärteten Isolierungssystem entstehen können. Es hat sich gezeigt, dass ein porenfreies Isolationssystem wichtig für die elektrische Lebensdauer der hier in Rede stehenden elektrischen Maschinen ist. Luft besitzt eine relativ geringe dielektrische Festigkeit, wodurch schon bei relativ geringen Feldstärken Teilentladungen auftreten können. Deshalb müssen im Harzanteil eines Isolationssystems Lufteinschlüsse vermieden werden. Auch die Oberflächengüte von hochviskosen und damit schlecht verlaufenden Formulierungen ist mangelhaft.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Formulierung, insbesondere eine Pulverlackformulierung zu schaffen, die die Herstellung eines Isolationssystems mit verbesserten Isolierungseigenschaften ermöglicht. Weitere Aufgaben der Erfindung bestehen darin, eine elektrische Maschine mit einem entsprechend verbesserten Isolationssystem sowie ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechend verbesserten Isolationssystems einer elektrischen Maschine zu schaffen.
Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine Pulverlackformulierung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 13 zur Herstellung eines Isolationssystems einer elektrischen Maschine gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jedes Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen der jeweils anderen Erfindungsaspekte anzusehen sind.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Pulverlackformulierung für ein Isolationssystem einer elektrischen Maschine, insbesondere einer rotierenden elektrischen Maschine für den Hochspannungs- oder Niederspannungsbereich, umfassend wenigstens eine härtbare Harzformulierung, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die Pulverlackformulierung zusätzlich sphärische Füllstoffpartikel aus Siliziumdioxid - SiO₂- umfasst. Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass als Füllstoff in der Pulverlackformulierung runde Partikel vorgesehen sind. Dies erlaubt die Herstellung eines Isolationssystems mit verbesserten Isolierungseigenschaften, da runde Partikel im Vergleich zu plättchenförmigen Füllstoffen wie Glimmer eine deutlich geringere spezifische Oberfläche besitzen. Dadurch ist es möglich, bei gleicher Viskosität mehr Füllstoff in die Pulverlackformulierung einzubringen oder umgekehrt bei gleichem Füllstoffgehalt eine geringere Viskosität zu erzielen. Vorzugsweise ist die Pulverlackformulierung daher frei von Glimmerplättchen ausgebildet. Mehr Füllstoff in der Pulverlackformulierung und/oder eine geringere Viskosität der Pulverlackformulierung führt zu verbesserten Auftrags- und Entgasungseigenschaften der Pulverlackformulierung und damit zu besseren Isolierungseigenschaften, besserer und/oder einer höheren Oberflächengüte des resultierenden Isolationssystems. Damit kann ein möglichst Lufteinschluss-freies und/oder porenfreies Isolationssystem mit einer möglichst hohen Füllstoffkonzentration - die sich auch vorteilhaft auf die Angleichung der jeweiligen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auswirkt - hergestellt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Pulverlackformulierung zusätzlich nicht-sphärische Füllstoffpartikel, insbesondere unregelmäßig geformte Füllstoffpartikel und/oder plättchenförmige Füllstoffpartikel, insbesondere mit einem Formfaktor zwischen 1 bis 3, unter Umständen aber auch größer 10, umfasst. Mit anderen Worten weist ein Teil der Füllstoffpartikel der Pulverlackformulierung keine sphärische oder vornehmlich runde Form auf, sondern ist unregelmäßig und/oder plättchenförmig ausgebildet. Der „Formfaktor“, wie er hier verwendet wird, ist ein Maß für das Verhältnis von Partikeldurchmesser zu Partikeldicke für eine Population von Partikeln unterschiedlicher Größe und Form und kann beispielsweise mit den im U.S. Patent 5,576,617 beschriebenen Methoden, Apparaten und Gleichungen ermittelt werden. Je höher der Formfaktor ist, umso plättchenförmiger, das heißt flacher und länglicher sind die Partikel ausgebildet. Beispielsweise kann der Formfaktor 60, 90, 120 oder mehr betragen. Hierdurch können die rheologischen Eigenschaften der Pulverlackformulierung sowie die elektrischen Isolierungseigenschaften des aus dieser hergestellten Isolationssystems optimal an den jeweiligen Einsatzzweck angepasst werden.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Füllstoffpartikel dielektrisch und/oder kristallin und/oder amorph sind. Indem die Füllstoffpartikel elektrisch nichtleitend sind, wird eine entsprechend gute Isolierungseigenschaft sichergestellt. Durch die Verwendung von kristallinen und/oder amorphen Füllstoffpartikeln können die rheologischen Eigenschaften der Pulverlackformulierung und ihre Entgasungseigenschaften eingestellt werden.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die SiO₂- Füllstoffpartikel Quarzmehl, Quarzgut und/oder Quarzglas umfassen.
Quarzgut und/oder Quarzglas wird als amorphe Modifikation von Quarz synthetisch hergestellt. Es besitzt eine Reihe von vorteilhaften Eigenschaften, insbesondere einen sehr niedrigen thermischen linearen Ausdehnungskoeffizient (0,5*10^-6*K^-1) sowie eine hervorragende Elastizität und TemperaturwechselBeständigkeit. Ebenso weist es eine hohe Transformations- und Erweichungstemperatur und eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Sphärisches Quarzgut ist zwar teurer als nicht-sphärisches Quarzgut, besitzt aber wie bereits erwähnt eine deutlich geringere spezifische Oberfläche und erlaubt damit die Realisierung der vorstehend genannten Vorteile. Ein kommerziell verfügbarer Füllstoff, der diese Eigenschaften besitzt, ist das Produkt BRUCAFIL® 1431 Quarzgut der Firma HPF Quarzwerke GmbH, Frechen. Ebenso besitzt Quarzglas eine hohe chemische Beständigkeit, eine hohe Erweichungstemperatur und Temperaturbeständigkeit sowie eine niedrige thermische Ausdehnung bei hoher Temperaturwechselbeständigkeit. Siliziumdioxid ist generell sehr resistent gegenüber elektrischen Entladungen und kann unter sehr starken Entladungen sogar erweichen und eine Art Schutzschicht gegenüber elektrischen Entladungen ausbilden.
Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, dass die sphärischen oder annähernd sphärischen Füllstoffpartikel mit einem Massenanteil zwischen 5 Gew.-% und 70 Gew.-%, insbesondere zwischen 30 Gew.-% und 65 Gew.-%, insbesondere zwischen 40 Gew% und 55 Gew%, bezogen auf die Gesamtmasse der Pulverlackformulierung, vorliegen. Auch hierdurch können die rheologischen Eigenschaften der Pulverlackformulierung und ihre Entgasungseigenschaften optimal auf den jeweiligen Einsatzzweck eingestellt werden. Vorzugsweise sind mindestens 30 % aller Füllstoffpartikel sphärisch, insbesondere mindestens 50 %, vorzugsweise mindestens 75 % und insbesondere mindestens 80 %.
Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, dass die Füllstoffpartikel eine Korngrößenverteilung D₅₀ zwischen 1 µm und 50 µm, insbesondere zwischen 3 µm und 7 µm, und/oder einen maximalen Korndurchmesser von 100 µm, insbesondere von 50 µm, und/oder einen Längenausdehnungskoeffizienten von höchstens 20 * 10^-6*K^-1, insbesondere von höchstens 0,5 * 10^-6*K^-1, und/oder eine relative Permittivität zwischen 1 und 7 bei 18 °C und 50 Hz, insbesondere zwischen 3 und 4,5, aufweisen. Durch einen geringen Längenausdehnungskoeffizienten, beispielsweise eine Wärmeausdehnung von 0,5 * 10^-6 /K, kann im Isolationssystem ein vielfach geringerer Wärmeausdehungskoeffizient als derjenige der Harzkomponente realisiert werden. Je nach Füllstoffkonzentration in der Pulverlackformulierung kann somit der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient der gesamten Pulverlackformulierung erheblich reduziert werden. Mit einer Permittivität von zwischen 1 und 7, beispielsweise 3,7, besitzt der Füllstoff fast die gleiche wie übliche Harze -diese kann mit ca. 3,5 angegeben werden - und sorgt deshalb für so gut wie keine Feldüberhöhung im Isolationssystem. Vorzugsweise beträgt der D₅₀-Wert der Füllstoffpartikel zwischen etwa 30 % und etwa 100 % der Dicke des späteren Isolationssystems. Vorzugsweise sind die Füllstoffpartikel so klein, dass sie durch eine Sprühdüse - mit oder ohne Druckluft - applizierbar sind.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Füllstoffpartikel zumindest teilweise oberflächenmodifiziert, insbesondere silanisiert sind. Hierdurch können die Anbindung des Füllstoffes an das Harz und gleichzeitig seine Verarbeitungseigenschaften verbessert werden. Eine solche Oberflächenmodifizierung kann beispielsweise mit Silanen realisiert werden, wodurch die Füllstoffoberfläche epoxidfunktionalisiert, aminfunktionalisiert, vinylfunktionalisiert etc. werden kann, wodurch die Füllstoffpartikel kovalent an die Harz-Matrix angebunden werden können.
Die Harzformulierung des versprühbaren, also noch ungehärteten Pulverlacks umfasst in der Regel zumindest eine monomere und/oder oligomere, gegebenenfalls kettenverlängerte, Duromerharzkomponente, insbesondere eine Epoxidharzkomponente. Durch Aushärten bildet die Harzformulierung die Harzbasis des gefüllten Isolationssystems. Beispielsweise sind dafür Novolake, Bisphenol-A und/oder Bisphenol-F-Diglycidylether geeignet, die beispielsweise auch kettenverlängert vorliegen können.
Vorteilhaft ist eine Harzformulierung, die bei Raumtemperatur fest vorliegt und eine monomere und/oder oligomere, insbesondere epoxidierte Novolak-Abmischung mit Bisphenol A und/oder Bisphenol F- Diglycidylether umfasst, insbesondere mit kettenverlängertem Bisphenol-A und/oder -F, eine di- oder höher-epoxidische Kohlenstoff-basierte Harz-Komponente und/oder eine monomere und/oder oligomere Harz-Abmischung auf Alkyl- und/oder Aryl-Polysiloxanbasis mit mindestens einer weiteren Harzkomponente umfasst, alle Epoxidharzkomponenten bevorzugt zwei oder mehr Gycidylester- und/oder Glycidylether- und/oder Hydroxylfunktionalitäten umfassend und/oder dass die Harzformulierung wenigstens eine als Härter fungierende Verbindungen auf Dicyandiamid- und/oder (Poly)-Aminbasis und/oder amino- und/oder alkoxyfunktionaler Alkyl-/Aryl-Polysiloxanbasis, umfasst.
Als „kettenverlängert“ werden dabei Monomere oder Oligomere - beispielsweise des Bisphenol-A-Diglycidylether oder BADGE oder DGEBA bezeichnet, mit einem Epoxid Äquivalent Gewicht - EEW - von 170 mit einem Schmelzpunkt der reinen und kristallin vorliegenden Substanz von 43°C. Bei Verunreinigungen / Mischungen erniedrigt sich der Schmelzpunkt. Für eine Pulverlackformulierung sind nur bei Raumtemperatur und unter Normalbedingungen, also Atmosphärendruck etc. fest vorliegende Verbindungen und Mischungen geeignet. Flüssigkeiten werden grundsätzlich wirtschaftlich sinnvoll nicht zur Herstellung von Pulverlacken eingesetzt.
Die Kettenverlängerung der hier einsetzbaren bei Raumtemperatur fest, also „solid“ vorliegenden Harzbasis, insbesondere Epoxidharze auf DGEBA-Basis umfassend, ist nicht gleichzusetzen mit der Aushärtung und/oder Vernetzung des Harzes zum Duromer. Die bereits kettenverlängerten Epoxidharze werden als Feststoff in die Pulverlackformulierung eingearbeitet. Die kettenverlängerten festen Epoxidharze sind beispielsweise durch wiederkehrende Gruppen „repeat units“ mit sekundären Hydroxylgruppen gekennzeichnet. Theoretisch liegen dabei lineare Grundgerüste, also Rückgrate von Polymeren mit zwei endständigen Oxiranring-Gruppen vor, mit dazwischen sich wiederholenden Einheiten, beispielsweise von n = 2 bis n = 35, die sekundäre Hydroxylgruppen tragen, wie in Formel I gezeigt:
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Harzformulierung eine weitere monomere und/oder oligomere, insbesondere di- oder höher-epoxidische Kohlenstoff- und/oder Siloxan- basierte Harz-Komponente umfasst. Nach Aushärtung liegt dann eine Harzbasis vor, in der das Rückgrat der polymer vernetzten Verbindung neben Kohlenwasserstoffen auch -[SiR₂-O]_n- Einheiten aufweist.
Insbesondere bevorzugt ist dabei, dass die Harzformulierung eine monomere und/oder oligomere Harz-Komponente auf Alkyl- und/oder Aryl-Polysiloxanbasis in Abmischung mit mindestens einer, bevorzugt zwei oder mehr Gycidylester- und/oder Glycidyletherfunktionalitäten umfasst und/oder dass die Harzformulierung wenigstens eine als Härter fungierende Verbindung auf Anhydrid- und/oder (Poly)Aminbasis und/oder amino- und/oder alkoxyfunktionaler Alkyl-/Aryl-Polysiloxanbasis, umfasst.
Gemäß der Erfindung ist als Harz-Gemisch und/oder Harz-Härter-Gemisch für das Isolationsmaterial ein Harz und/oder ein Harzgemisch vorgesehen, bei dem zumindest ein Teil des zu einem Duromer härtenden Harz-Gemisches und/oder Harz-Härter-Gemisches für das Isolationssystem eine Siloxan-haltige Verbindung ist, die im fertig ausgehärteten Duromer ein -[SiR₂-O]_n-Rückgrat „Backbone“ bildet.
Dabei steht „R“ für alle Arten organischer Reste, die sich zur Härtung und/oder Vernetzung zu einem für ein Isolationssystem brauchbaren Isolationsstoff eignen. Insbesondere steht R für -Aryl, -Alkyl, -Heterocyclen, Stickstoff, Sauerstoff und/oder Schwefel substituierte Aryle und/oder Alkyle.
Insbesondere kann R gleich oder ungleich sein und für folgende Gruppen stehen:

- Alkyl, beispielsweise -Methyl, -Propyl, -isoPropyl, - Butyl, -isoButyl, -tertButyl, -Pentyl, -isoPentyl, - Cyclopentyl sowie alle weiteren Analoge bis zu Dodecyl, also das Homologe mit 12 C-Atomen;
- Aryl, beispielsweise: Benzyl-, Benzoyl-, Biphenyl-, Toluyl-, Xylole sowie vergleichbare Aromaten, insbesondere beispielsweise alle Arylreste, mit einem oder mehreren Ringen, deren Aufbau der Definition von Hückel für die Aromatizität entspricht,
- Heterozyklen: insbesondere schwefelhaltige Heterozyklen wie Thiophen, Tetrahydrothiophen, 1,4-Thioxan und Homologe und/oder Derivate davon,
- Sauerstoffhaltige Heterozyklen wie z.B. Dioxane,
- Stickstoffhaltige Heterozyklen wie z.B. solche mit -CN, - CNO,-CNS, -N3 (Azid) Substituenten am Ring oder an den Ringen und
- Schwefel substituierte Aryle und/oder Alkyle: z.B. Thiophen, aber auch Thiole.

Die Hückel-Regel für aromatische Verbindungen bezieht sich auf den Zusammenhang, dass planare, cyclisch durchkonjugierte Moleküle, die eine Anzahl von Π-Elektronen, die sich in Form von 4n + 2 darstellen lässt, umfasst, eine besondere Stabilität besitzen, die auch als Aromatizität bezeichnet wird.
Grundsätzlich umfasst das Harz-Gemisch und/oder Harz-Härter-Gemisch neben der zur Polymerisation funktionalisierten monomer und/oder oligomer vorliegenden Komponente, die ein - [SiR₂-O]_n-Rückgrat hat, auch zumindest eine zur Polymerisation funktionalisierte monomere oder oligomere Harzkomponente mit einem Kohlenstoff - also -[-CR₁R₂-]_n-Einheiten umfassenden Rückgrat. Dabei steht R für -Wasserstoff, -Aryl, -Alkyl, - Heterocyclen, Stickstoff, Sauerstoff und/oder Schwefel substituierte Aryle und/oder Alkyle. Insbesondere eignen sich beispielsweise Epoxidfunktionalisierte Komponenten, wie Bisphenol-F-Diglycidylether (BFDGE) oder Bisphenol-A-Diglycidylether (BADGE), Polyurethan sowie Mischungen hieraus. Bevorzugt sind Epoxidharze basierend auf Bisphenol-F-Diglycidylether (BFDGE), Bisphenol-A-Diglycidylether (BADGE) oder Mischungen hieraus.
Beispielsweise wird die zur Polymerisation funktionalisierte monomere oder oligomere Komponente, die ein -[SiR₂-O]_n-Rückgrat hat mit einer oder mehreren, -[-CR₁R₂-]_n- Rückgrat enthaltender Komponenten, ausgewählt aus der Gruppe folgender Verbindungen zum Harz-Gemisch und/oder Harz-Härter-Gemisch kombiniert:

undestillierter und/oder destillierter, ggf. reaktivverdünnter Bisphenol-A-Diglycidylether, undestillierter und/oder destillierter, ggf. reaktivverdünnter Bisphenol-F-Diglycidylether, hydrierter Bisphenol-A-Diglycidylether und/oder hydrierter Bisphenol-F-Diglycidylether, reiner und/oder abgemischter Epoxy-Novolak und/oder Epoxy-Phenol-Novolak, cycloaliphatische Epoxidharze wie 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexylcarboxylat z.B. CY179, ERL-4221; Celloxide 2021P, Bis(3,4-epoxycyclohexylmethyl)adipat, z.B. ERL-4299; Celloxide 2081, Vinylcyclohexendiepoxid, z.B. ERL-4206; Celloxide 2000, 2-(3,4-epoxycyclohexyl-5,5-spiro-3,4-epoxy)-cyclohexan-meta-dioxan z.B. ERL-4234; Hexahydrophthalsäurediglycidylester, z.B. CY184, EPalloy 5200; Tetrahydrophthalsäurediglycidylether z.B. CY192; glycidierte Aminoharze (N,N-Diglycidyl-para-glycidyloxyanilin z.B. MY0500, MY0510, N,N-Diglycidyl-meta-glycidyloxyanilin z.B. MY0600, MY0610, N,N,N',N'-Tetraglycidyl-4,4'-methylendianilin z.B. MY720, MY721, MY725, sowie beliebiger Mischungen der vorgenannten Verbindungen.

Als zur Polymerisation funktionalisierte monomere oder oligomere Komponente, die ein -[SiR₂-O-]_n-Rückgrat hat eignen sich glycidyl-basierte und/oder epoxy-terminierte Aryl- und/oder Alkyl-Siloxane, wie beispielsweise glycidoxy funktionalisierte, insbesondere glycidoxyterminierte Siloxane. So eignet sich beispielsweise ein Siloxan wie das 1,3-Bis(3-glycidyl-oxypropyl)tetramethyldisiloxan, das DGTMS, und/oder das glycidoxyterminierte Phenyl-Dimethylsiloxan und/oder Phenyl-Methyl-Siloxan in monomerer und/oder in oligomerer Form, sowie in beliebigen Mischungen und/oder in Form von Derivaten. Anstelle der 4 Methylsubstituenten am Silizium im DGTMS können verschiedene, gleiche oder ungleiche beliebige Alkyl- und/oder Aryl-Substituenten stehen. Eine dieser bereits getesteten Komponenten ist als „Silres® HP® 1250® handelsüblich. Es hat sich gezeigt, dass zumindest zweifach funktionalisierte Siloxane, die zur Herstellung von Duroplasten einsetzbar sind, hier geeignet sind.
Handelsüblich ist beispielsweise folgende, als Siloxanbasierte Komponente geeignete Verbindung handelsüblich bei der Fa. Wacker AG erhältlich:
Als Härter eignen sich bei der Homopolymerisierung kationische und anionische Härtungskatalysatoren, wie beispielsweise organische Salze, wie organische Ammonium-, Sulphonium-, Iodonium-, Phosphonium- und/oder Imidazolium-salze und Amine, wie tertiäre Amine, Pyrazole und/oder Imidazol-Verbindungen. Beispielhaft genannt sei hier 4,5-Dihydroxymethyl-2-phenylimidazol und/oder 2-Phenyl-4-methyl-5-hydroxymethylimidazol. Es können aber auch oxirangruppenhaltige Verbindungen, wie beispielsweise Glycidylether als Härter eingesetzt werden. Ebenso gut wie das Basisharz kann auch der Härter alternativ oder ergänzend durch eine Verbindung mit -[-SiR₂-O-]_n-Rückgrat, hier auch Siloxanbasierte Verbindung genannt, teilweise oder ganz ersetzt werden.
Im Fall von nicht-homopolymerisierender, beispielsweise additionsvernetzenden, Hochpolymeren können bei Raumtemperatur feste Di- oder Trianhydrid(derivate) als Härter zweckmäßig sein, wie z.B. 3,3',4,4'-Benzophenontetracarboxyldianhydrid (BTDA, CAS-Nr. 2421-28-5) eingesetzt werden. Beispielsweise wird ein Phthalsäureanhydridderivat und/oder ein Polyamin, und/oder ein Produkt der Wacker AG, das Alkyl- und/oder Aryl- und/oder Alkoxy-substituierte Wacker HP 2000 oder HP 2020 sein.
Herkömmlich werden auch Säureanhydride als Härter in den Isolationsmaterialien erfolgreich eingesetzt. Deren Toxikologie ist jedoch mittlerweile nicht mehr ganz unumstritten. Deshalb werden andere Härter, insbesondere auf Imidazol- und/oder Pyrazolbasis verstärkt eingesetzt.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, den Kohlenstoffbasierten Härter auch ganz oder teilweise durch Siloxanbasierte Härter mit den gleichen Funktionalitäten zu ersetzen.
Es hat sich herausgestellt, dass im Isolationsstoff, der das gehärtete Basisharz umfasst, ein Verhältnis von Siloxanbasierter, „mit -[SiR₂-O-]_n- Rückgrat“- Verbindung zu kohlenstoffbasierter „mit -[-CR₁R₂-]_n- Rückgrat“ -Verbindung, wie 1:8 bis 1:4 am günstigsten ist, das heißt dass in dem betreffenden Isolationsmaterial die Kohlenwasserstoff-basierten Verbindungen mengenmäßig 4 bis 8 mal mehr vorliegen als die - [SiR₂-O-]_n- Rückgrat-enthaltenden Verbindungen. Die Anteile beziehen sich dabei auf die Stöchiometrie, sind also Molprozente.
Die Siloxan-haltige Komponente liegt also in einer Menge von 10 bis 50 Mol% in der Harzbasis, also im Harz-Gemisch und/oder Harz-Härter-Gemisch der Pulverlackformulierung vor. Insbesondere bevorzugt ist, wenn die Menge an Siloxanhaltiger Komponente im Basisharz nicht mehr als 20 Mol%, insbesondere nicht mehr als 18 Mol% und besonders bevorzugt nicht mehr als 15 Mol% beträgt.
Man konnte ein reduziertes Erosionsvolumens bei einer Substitution der herkömmlichen Harzkomponente von 20-30% erkennen. Da jedoch mit fortschreitender Substitution die mechanischen Eigenschaften, deutlich an den Glasübergangstemperaturen und/oder an den Speichermoduln erkennbar, des Kunststoffes schlechter werden, ist es zielführend, so wenig -[-CH₂-]_n-Rückgrat wie möglich zu substituieren. Bei ca. 20%iger Substitution sind die Glasübergangstemperaturen und die Speichermoduln des resultierenden Harzsystems fast identisch mit denen des herkömmlichen, nur -[-CH₂-]_n-Rückgrat umfassenden Harzes.
Die Teilentladungsresistenz des Isolationsstoffes wird durch Vorhandensein einer gewissen Menge an -[SiR₂-O-]_n- bildenden Monomeren oder Oligomeren im Basisharz geradezu sprunghaft erhöht.
Prinzipiell kann ein Pulverlack nach der Erfindung sowohl auf ein erwärmtes - heißes - als auch auf ein kalten Substrat aufgebracht werden.
Der Pulverlack kann weiterhin über ein elektrostatisches Verfahren - bei dem wiederum das Substrat heiß oder kalt vorliegen kann - aufgebracht werden.
Der Pulverlack kann über ein Eintauchen des Substrats in ein mit Pulverlackformulierung gefülltes Wirbelbett aufgebracht werden.
Die Wahl des jeweiligen Aufbringungsverfahrens und die Schichtdicke der aufgebrachten Pulverlacklage variieren von Anwendungsfall zu Anwendungsfall. Generell gilt, dass beim elektrostatischen Versprühen auf kaltes Substrat die dünnsten Lagen applizierbar sind.
Die hier in Rede stehenden Substrate sind vor allem bereits gegeneinander isolierte Teilleiter. Teilleiter sind je nach Anwendung gegeneinander isoliert, z.B. durch eine Glasgewebe, eine Wickelbandisolation, Glimmerisolation, einer PET-Polyethylenterephthalat-Folie, PI-Polyimidfolie und/oder sonstige Teilleiterisolationsvarianten.
Die jeweilige Teilleiterisolation liegt bevorzugt vorverfestigt in Form eines Prepregs vor. Beispielsweise werden zwei, ein paar oder mehr oder viele gegeneinander Teilleiterisolierte Teilleiter miteinander - beispielsweise in einer Heißpresse- verbacken. Ein so vorliegendes Paket ist beispielsweise ein Substrat zur Aufbringung der Pulverlackformulierung nach der Erfindung. Als Pulverlack „formulierung‟ wird vorliegend die unvernetzte Form des Pulverlacks bezeichnet.
Vorzugsweise hat das Substrat einen eher rechteckigen als abgerundeten, ovalen oder runden Querschnitt.
Auf das Substrat wird die Pulverlackformulierung z-B. durch Besprühen - mit oder ohne Druckluft - und/oder durch Eintauchen in ein Wirbelbett mit Pulverlackformulierung appliziert. Beispielsweise ein, bevorzugt rechteckiger Querschnitt, bei dem im Substrat die Teilleiter in Form von Flachdrähten vorliegen. Diese Teilleiter sind über ihre Teilleiter-Isolation „verbacken“.
Bei der Applikation auf ein heißes Substrat wird dieses beispielsweise auf 130°C, auf 150°C oder auf 200°C vorgewärmt, je nach Anwendung und auch in Abhängigkeit von der Wärmeklasse-Beständigkeit der Substrat-Oberfläche, der Pulverlackformulierung, der Teilleiterisolation - und last but not least - des Prepregs aus einem verbackenen Bündel von gegeneinander isolierten Teilleitern.
Eine elektrostatische Adhäsion des Pulverlacks auf dem Substrat, dessen Oberfläche ja die Teilleiterisolation bildet und die daher isolierend ist, findet dabei immer noch über das elektrisches Feld der Teilleiter statt, da das elektrische Feld durch die Teilleiterisolation durchgeht.
Beim Eintauchen des kalten oder erwärmten und/oder elektrisch kontaktierten Substrates in ein Wirbelbett lagert sich jeweils eine Lage Pulverlackformulierung auf der Oberfläche des Substrates an. Diese wird entweder elektrisch oder durch Temperatur oder durch beides angeschmolzen und/oder angeliert. Der angeschmolzene und/oder angelierte Pulverlack klebt dann auf dem Substrat. Das Eintauchen kann automatisiert oder zumindest teilautomatisiert erfolgen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Pulverlackformulierung als vorzugsweise versprühbare Pulverlackformulierung hergerichtet ist. Hierdurch ist auch wieder eine automatisierte oder zumindest teilautomatisierte Auftragung möglich, wodurch entsprechende Zeit- und Kosteneinsparungen realisiert werden können.
Eine durch Besprühen hergestellte Lage des fertigen Isolationssystems hat vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 50µm bis 150µm, bevorzugt 50µm bis 130 µm und insbesondere bevorzugt von 70µm bis 120µm. Bei elektrischen rotierenden Maschinen, werden häufig Isolationsdicken im Bereich von 700 µm bis hin zu etwa 6 mm, insbesondere von 1,5mm bis 2,5mm, Isolationsdicke benötigt, so dass die gesprühten Isolationssysteme in mehreren Lagen - beispielsweise bis zu 30 Lagen, insbesondere bis zu 20 Lagen, aufgebracht werden. Beispielsweise werden bei kleinen Maschinen 1 bis 3 Lagen bis hin zu 20 Lagen bei großen elektrischen Maschinen aufgebracht.
Für die Aufbringung der zweiten und weiteren Lage an Pulverlackformulierung dient natürlich die erste Lage an Pulverlack als Substrat, wobei bevorzugt ist, dass die untere Lage an Pulverlack zumindest schon entgast und/oder angeliert ist, so dass eine homogene Oberfläche als Substrat für die oberen Lagen zur Verfügung steht.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die gesamte Pulverlackformulierung und daraus hergestellte Isolation einen Längenausdehnungskoeffizienten von höchsten 35 * 10^-6 * K^-1 besitzt. Die Wicklung elektrischer Maschinen wird üblicher Weise aus Kupfer hergestellt. Das Harz-Bindemittel des Isolierungssystems besitzt in der Regel eine mindestens viermal höhere Wärmeausdehnung als Kupfer. Durch Zugabe eines Füllstoffes mit einer geringen Wärmeausdehnung kann die Wärmeausdehnung der Isolation deutlich reduziert werden und in Richtung des Kupfers hin verschoben werden. Ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten von Wicklung und Isolation sorgen für eine stabile Anbindung des Isolierungssystems an die Kupferwicklung unter thermischen Lastwechseln durch Reduktion von thermisch induzierten Spannungen. Gleiches gilt für andere Metalle und Metalllegierungen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere eine rotierende elektrische Maschine, umfassend zumindest ein Bündel von Teilleitern und ein Isolationssystem, welches Isolationskomponenten zur Isolierung umfasst, wobei das Isolationssystem zumindest zum Teil durch ein- oder mehrmaliges Applizieren einer Pulverlackformulierung gemäß dem ersten Erfindungsaspekt und nachfolgende Aushärtung erhältlich und/oder erhalten ist.
Hierdurch besitzt die elektrische Maschine, bei der es sich beispielsweise um einen Generator handeln kann, ein entsprechend gegenüber dem Stand der Technik mit plättchenförmigen - Glimmer-Füllstoffen - verbessertes Isolationssystem, da runde und/oder annähernd runde Füllstoffpartikel im Vergleich zu plättchenförmigen Füllstoffen wie Glimmer eine deutlich geringere spezifische Oberfläche besitzen. Dadurch ist es möglich, bei gleicher Viskosität mehr Füllstoff in die Pulverlackformulierung zu geben oder umgekehrt bei gleichem Füllstoffgehalt eine geringere Viskosität zu erzielen. Mehr Füllstoff in der Pulverlackformulierung respektive dem daraus hergestellten Isolationssystem, und/oder eine geringere Viskosität der Pulverlackformulierung führt zu verbesserten Auftrags- und Entgasungseigenschaften bei der Applikation, Adhäsion auf dem Substrat und der Aushärtung der Pulverlackformulierung und damit zu besseren Isolierungseigenschaften und einer höheren Oberflächengüte des resultierenden Isolationssystems. Damit kann ein nahezu porenfreies Isolationssystems mit einer möglichst hohen Füllstoffkonzentration hergestellt werden. Weitere Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Isolationssystems einer elektrischen Maschine, insbesondere einer rotierenden elektrischen Maschine. Es wird ein verbessertes Isolationssystem einer elektrischen Maschine hergestellt, da runde Füllstoffpartikel im Vergleich zu plättchenförmigen Füllstoffen wie Glimmer eine deutlich geringere spezifische Oberfläche besitzen. Dadurch ist es möglich, bei gleicher Viskosität mehr Füllstoff in die Pulverlackformulierung zu geben oder umgekehrt bei gleichem Füllstoffgehalt eine geringere Viskosität zu erzielen. Mehr Füllstoff in der Pulverlackformulierung und/oder eine geringere Viskosität der Pulverlackformulierung führt zu verbesserten Auftrags- und Entgasungseigenschaften der Pulverlackformulierung und damit zu besseren Isolierungseigenschaften und einer höheren Oberflächengüte des resultierenden Isolationssystems. Damit kann ein porenfreies Isolationssystems mit einer möglichst hohen Füllstoffkonzentration hergestellt werden. Weitere Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren zumindest die Schritte

a) Herstellen einer Pulverlackformulierung gemäß dem ersten Erfindungsaspekt,
b) Vorbereiten eines Substrats durch Erwärmen und/oder elektrisches Kontaktieren,
c) Applikation der Pulverlackformulierung auf das vorbereitete Substrat, insbesondere Versprühen und/oder Eintauchen des Substrates in ein Wirbelbett der Pulverlackformulierung,
d) Aufschmelzen, Trocknen und/oder Angelieren der Pulverlackformulierung auf dem Substrat, sowie
e) Aushärten der Pulverlackformulierung zur Ausbildung des Isolationssystems.

Insbesondere ist die polymerisierbare Harzkomponente ausgewählt aus Duroplasten.
Die Pulverlackformulierung wird beispielsweise mittels einer Düse auf einen Leiter aufgesprüht, um das Isolationssystem zu erhalten. Generell ergibt sich durch die sphärischen Füllstoffe der Vorteil einer geringen Abrasivität.
Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, dass die Schritte c) und d) ein- oder mehrmals wiederholt werden. Hierdurch können entsprechend dickere Isolierungsschichten hergestellt werden.
Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, dass das Verfahren zumindest zum Teil automatisiert durchgeführt wird. Insbesondere eine gesprühte Pulverlackformulierung, insbesondere zur Herstellung einer Hauptisolation, ermöglicht eine teil- oder vollautomatisierte Herstellung auch von individuell an die jeweilige Maschine angepassten Isolationssystemen.
Des Weiteren ermöglicht die Pulverlackformulierung und Sprührespektive Wirbelbett-Technologie eine Erhöhung der Leistungsdichte von elektrisch rotierenden Maschinen, unter der Annahme, dass das über Pulverlackformulierung hergestellte Isolationssystem die gleiche elektrische Lebensdauer aufweist, wie ein konventionelles Isolationssystem. Letzteres umfasst damit verglichen ziemlich viele Komponenten und erfordert viele Arbeitsschritte mit Wickelband aus Glimmschutzband, Bandkleber, Bandbeschleuniger, unter Umständen per Hand applizierter Umwickelung, danach Harzimprägnierung, gegebenenfalls bei erhöhter Temperatur mit Überdruck oder im Vakuum und schlussendlicher Harz-Durchhärtung.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der An-sprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen. Dabei zeigt:

FIG eine schematische Schnittansicht eines Generators im Austrittsbereich einer Wicklung aus einem Blechpaket nach einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung

In der einzigen Figur ist eine schematische Schnittansicht einer exemplarisch als Generator ausgebildeten elektrisch rotierenden Maschine 10 im Austrittsbereich eines Leiters bzw. einer Wicklung aus gegeneinander isolierten Teilleitern 8 aus einem Blechpaket 9 gezeigt. Elektrisch rotierende Maschinen besitzen einen sehr hohen Wirkungsgrad von bis zu 99,5%. Der Generator 10 weist als Isolationskomponenten eine Hauptisolation 1, die aus Applikation einer Pulverlackformulierung durch Härtung herstellbar ist und eine Teilleiterisolation 2, die durch Wicklung herstellbar ist, auf. Während die Teilleiterisolation 2 als Wickelbandisolation ausgebildet ist, ist die Hauptisolation 1 hier eine reine Beschichtung, die über ein- oder mehrmalige Applikation und Aushärtung der Pulverlackformulierung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung herstellbar ist.
In der Figur ist weiterhin ein Außenglimmschutz 4 zu erkennen. Weiterhin umfasst der Generator 10 ein fixierendes Band 5, einen Fixierungsstreifen 7, die Wicklung der gegeneinander isolierten Teilleiter 8, und das Blechpaket 9.
Für Zuverlässigkeit, Sicherheit und den Wirkungsgrad des Generators 10 ist dabei ein Isolationssystem 12 von entscheidender Bedeutung. Die Hauptisolation 1 des Generators basiert beispielsweise auf Pulverlack aus einer Harzbasis, die kettenverlängertes Bisphenol-A umfasst, die mit sphärischem und auf Quarzgut basierendem Füllstoff in einer Menge von 55 Gew%, bezogen auf die Gesamtmasse der Pulverlackformulierung, gefüllt ist und sorgt für die Isolation der Leiter in Form von Kupferleiter 8 gegen den geerdeten Stator, das Blechpaket 9.
Die Hauptisolation besitzt eine hohe Teilentladungseinsetzspannung, was ihr ermöglicht, 3,5 kV pro Millimeter dauerhaft abzubauen. Luft besitzt eine relativ geringe dielektrische Festigkeit, wodurch schon bei relativ geringen Feldstärken Teilentladungen auftreten können. Deshalb werden durch das hier erstmals offenbarte Verfahren zur Applikation der Pulverlackformulierung Lufteinschlüsse insbesondere in der Hauptisolation 1 so gut wie möglich vermieden.
Die Bestandteile des vorliegenden Isolationssystems 12 umfassen, von innen nach außen betrachtet, die Kupfer(teil)leiter 8, also die elektrische Spule, die zu sogenannten verröbelten Stäben - im Stadium des Prepregs - miteinander verpresst werden, optional eine auf den Stäben aufgebrachte Innenpotentialsteuerung (IPS, nicht gezeigt), die Hauptisolation 1 und darauf den Außenglimmschutz 4 (AGS). Die Generator- bzw. Motorwicklung verlässt an jeweils den Stirnseiten des Blechpaketes 9 die Generatornuten 14. An diesen Stellen wird an den 4 AGS anschließend der sogenannte Endenglimmschutz (EGS) - hier nicht gezeigt - aufgebracht, um das elektrische Potential zu steuern, das heißt das Potential über die EGS-Länge anzuheben. Alle diese Bestandteile des Isolationssystems 12 (IPS, Hauptisolation 1, AGS 4 und EGS) werden nach dem Stand der Technik überwiegend als Bänder auf die Teilleiter 8 aufgewickelt, wobei z.B. händisch oder höchstens halbautomatisch appliziert wird.
Nach der Erfindung wird ein Bündel 8 aus isolierten Teilleitern - beispielsweise mittels eine Heißpresse - zu einem Prepreg verbacken. Das Bündel 8 ist z.B. ein „Substrat“ im Sinne der Erfindung, auf dem die Pulverlackformulierung appliziert wird, also die Pulverlackformulierung entweder über Eintauchen in ein Pulverlack-Wirbelbett und/oder Besprühen, „Bepulvern“ mit Pulverlackformulierung beschichtet, das heißt überzogen wird. Dadurch, dass das Substrat entweder heiß ist und/oder elektrostatisch aufgeladen, klebt die Pulverlackformulierung in zumindest einer Lage darauf, entweder über Anschmelzen, weil das Substrat 150°C oder 200°C heiß ist und/oder über elektrostatische Adhäsion.
Diese erste Lage wird dann angeliert und so weit angehärtet, dass sie als Substrat für die zweite Lage, wieder aus z.B. aufgesprühter Pulverlackformulierung, dienen kann.
Die Pulverlackformulierung nach der Erfindung stellt eine Möglichkeit dar die herkömmliche Wickelbandisolierung und/oder das VPI-Vakuum-Druck-Imprägnierverfahren zu ergänzen oder auch darauf komplett zu verzichten. Dazu wird der isolierende und mit sphärischen Quarz gefüllte Pulverlack im Schichtaufbau in mehreren Lagen, beispielsweise in 2 bis 20 Lagen, auf das Substrat appliziert und gehärtet.
Die einzelnen Lagen der Pulverlackformulierung können beispielsweise additiv und damit (teil)automatisiert aufgebracht werden.
Demnach wird in einer gegebenenfalls mehrlagigen Lackierung mit einer pulvrigen Pulverlackformulierung ein Siloxanmodifiziertes und mit sphärischen Partikeln gefülltes Epoxid pulverförmig auf die Teilleiterwicklung 8 aufgebracht. Das Siloxan sorgt dabei für eine erhebliche Verlängerung der elektrischen Lebensdauer des gesprühten Isolationssystems 12. Durch die Füllung mit vorwiegend sphärischen Partikel gelingt leicht eine Entgasung des applizierten und gegebenenfalls schon angelierten Pulverlacks.
Es hat sich gezeigt, dass eine porenfreie Isolationsschicht wichtig für die elektrische Lebensdauer der Maschine 10 ist. Füllstoffe mit einer hohen spezifischen Oberfläche wie Glimmer, führen zu einer starken Viskositätserhöhung der Pulverlackformulierung. Eine hohe Viskosität führt zu einer schlechten Entgasung, wodurch Poren im gehärteten Isolationssystem 12 entstehen können. Auch die Oberflächengüte von schlecht verlaufenden Pulverlackformulierungen, die mit plättchenförmigem Füllstoff allein gefüllt sind, ist mangelhaft.
Erfindungsgemäß wird daher als Füllstoff der Pulverlackformulierung für elektrische Isolationssysteme 12 eine sphärische Verbindung wie beispielsweise sphärisches Quarzgut und/oder sphärisches Quarzglas („fused silica“) eingesetzt. Sphärisches Quarzgut besteht aus runden, amorphen SiO₂ Kügelchen. Das amorphe Siliziumdioxid besitzt eine Wärmeausdehnung von 0,5 * 10^-6 *K^-1, was etwa einhundertzwanzigmal geringer ist als diejenige einer geeigneten Harzbasis (zum Beispiel Epoxidharz). Je nach Füllstoffkonzentration in der härtbaren Harzformulierung kann somit der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des gesamten resultierenden Isolationssystems 12 reduziert werden. Mit einer Permittivität von 3,7 besitzt sphärisches Quarzgut fast die gleiche Permittivität wie übliche Epoxidharze (ca. 3,5) und sorgt deshalb für so gut wie keine Feldüberhöhung im Isolationssystem 12. Siliziumdioxid ist resistent gegenüber elektrischen Entladungen und kann unter sehr starken Entladungen sogar erweichen und eine Art Schutzschicht gegenüber elektrischen Entladungen ausbilden (wenn die Füllstoffpartikel klein genug sind).
Sphärisches und/oder annähernd sphärisches Quarzgut ist zwar teurer als nicht-sphärisches, besitzt aber eine deutlich geringere spezifische Oberfläche. Dadurch ist es möglich, bei gleicher Viskosität mehr Füllstoff in die Pulverlackformulierung (Pulverlack) zu geben. Mehr Füllstoff im Pulverlack ist gleichzusetzen mit mehr positive Effekten des Füllstoffes auf den Pulverlack. Eine Oberflächenmodifizierung beziehungsweise -beschichtung des sphärischen Quarzgutes kann die Anbindung des Füllstoffes an die Harzformulierung verbessern und gleichzeitig seine Verarbeitungseigenschaften optimieren. Üblicherweise kann eine solche Oberflächenbeschichtung der Füllstoffpartikel mit Silanen realisiert werden, wodurch die Füllstoffoberfläche bedarfsweise epoxidfunktionalisiert, aminfunktionalisiert, vinylfunktionalisiert und so weiter werden kann. Damit kann die Oberfläche besonders gut kovalent an die jeweilige Harzmatrix angebunden werden.
Typische Füllstoffkonzentrationen liegen zwischen etwa 5 Gew.-% und 65 Gew.-%, bevorzugt sind 40 - 55 Gew.-%. Vorteilhafte Partikelgrößen D₅₀ liegen zwischen 1 µm und 30 µm, bevorzugt 3 µm und 7 µm. Ein kommerziell verfügbarer Füllstoff der diese Eigenschaften besitzt ist BRUCAFIL® 1431 der Firma HPF. Der Füllstoff kann als eine Fraktion oder in mehreren Fraktionen vorliegen.
Generell ist der verwendete Füllstoff bevorzugt elektrisch nichtleitend, also isolierend. Zusätzlich zu sphärischen, quasi-sphärischen und/oder annähernd sphärischen also grundsätzlich eher runden Füllstoffpartikeln können grundsätzlich andersförmige Füllstoffpartikel vorgesehen sein, insbesondere auch unregelmäßig geformte Partikel. Generell können die Füllstoffpartikel kristallin und/oder amorph vorliegen.
Die härtbare Harzbasis der Pulverlackformulierung kann als ein Copolymer aus einem Siloxan mit einem kettenverlängertem Bisphenol-A realisiert sein. Hierdurch kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Pulverlackformulierung ein porenfreies Isolationssystem 12 mit einer möglichst hohen Füllstoffkonzentration realisiert werden.
Die in den Unterlagen angegebenen Parameterwerte zur Definition von Prozess- und Messbedingungen für die Charakterisierung von spezifischen Eigenschaften des Erfindungsgegenstands sind auch im Rahmen von Abweichungen - beispielsweise aufgrund von Messfehlern, Systemfehlern, Einwaagefehlern, DIN-Toleranzen und dergleichen - als vom Rahmen der Erfindung mitumfasst anzusehen.
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

US 5576617 [0010]

Claims

Pulverlackformulierung für ein Isolationssystem (12) einer elektrischen Maschine (10), insbesondere einer rotierenden elektrischen Maschine (10) mit einer Bemessungsspannung von mindestens 700 V, umfassend wenigstens eine härtbare Harzformulierung, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverlackformulierung zusätzlich sphärische SiO₂ Füllstoffpartikel umfasst.
Pulverlackformulierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese zusätzlich nicht-sphärische SiO₂ Füllstoffpartikel, insbesondere unregelmäßig geformte SiO₂ Füllstoffpartikel umfasst.
Pulverlackformulierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffpartikel kristallin und/oder amorph sind.
Pulverlackformulierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die SiO₂ Füllstoffpartikel Quarzgut, Quarzmehl und/oder Quarzglas umfassen.
Pulverlackformulierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffpartikel mit einem Massenanteil zwischen 5 Gew.-% und 65 Gew.-%, insbesondere zwischen 40 Gew.-% und 55 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmasse der Pulverlackformulierung vorliegen.
Pulverlackformulierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffpartikel eine Partikelgrößenverteilung D₅₀ zwischen 1 µm und 50 µm, insbesondere zwischen 2 µm und 16 µm, und/oder einen maximalen Partikeldurchmesser von 100 µm, insbesondere von 50 µm, und/oder einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von höchstens 20 * 10^-6*K^-1, insbesondere von höchstens 1 * 10^-6*K^-1, und/oder eine relative Permittivität zwischen 1 und 7 bei 18 °C und 50 Hz, insbesondere zwischen 2,5 bis und 4,5, aufweist.
Pulverlackformulierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffpartikel zumindest teilweise oberflächenmodifiziert, insbesondere silanisiert sind.
Pulverlackformulierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die bei Raumtemperatur fest vorliegende Harzformulierung eine monomere und/oder oligomere, insbesondere epoxidierte Novolak-Abmischung mit Bisphenol A und/oder Bisphenol F- Diglycidylether umfasst, insbesondere mit kettenverlängertem Bisphenol-A und/oder -F, eine di- oder höher- epoxidische Kohlenstoff-basierte Harz-Komponente und/oder eine monomere und/oder oligomere Harz-Abmischung auf Alkyl- und/oder Aryl-Polysiloxanbasis mit mindestens einer weiteren Harzkomponente umfasst, bevorzugt zwei oder mehr Gycidylester- und/oder Glycidylether- und/oder Hydroxylfunktionalitäten umfassend und/oder dass die Harzformulierung wenigstens eine als Härter fungierende Verbindungen auf Dicyandiamid- und/oder (Poly)-Aminbasis und/oder amino- und/oder alkoxyfunktionaler Alkyl-/Aryl-Polysiloxanbasis, umfasst.
Pulverlackformulierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass diese als vorzugsweise versprühbarer Pulverlack hergerichtet ist.
Pulverlackformulierung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass diese im ausgehärteten Zustand einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von höchsten 40 * 10^-6 * K^-1 besitzt.
Elektrische Maschine (10), insbesondere rotierende elektrische Maschine für den Hochspannungs- oder Niederspannungsbereich, umfassend zumindest einen Leiter (8) und ein Isolationssystem (12), welches Isolationskomponenten zum Isolieren des Leiters (8) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationssystem (12) zumindest zum Teil durch ein- oder mehrmaliges Applizieren einer Pulverlackformulierung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 der Isolationskomponenten und nachfolgende Aushärtung erhältlich und/oder erhalten ist.
Verfahren zur Herstellung eines Isolationssystems (12) einer elektrischen Maschine (10), insbesondere einer rotierenden elektrischen Maschine (10) für den Hochspannungs- oder Niederspannungsbereich, bei welchem eine Pulverlackformulierung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ein- oder mehrmals mit Isolationskomponenten, welche einen Leiter (8) der Maschine (10) beschichtet und nachfolgend ausgehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, umfassend die Schritte: a) Herstellen einer Pulverlackformulierung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, b) Vorbereiten eines Substrats durch Erwärmen und/oder elektrisches Kontaktieren, c)Applikation der Pulverlackformulierung auf das vorbereitete Substrat (8), insbesondere Versprühen und/oder Eintauchen des Substrates (8) in ein Wirbelbett der Pulverlackformulierung, d) Aufschmelzen, Trocknen und/oder Angelieren der Pulverlackformulierung auf dem Substrat (8), sowie e) Aushärten der Pulverlackformulierung zur Ausbildung des Isolationssystems (12).
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem die Schritte c) und d) ein- oder mehrmals wiederholt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, das zumindest zum Teil automatisiert durchgeführt wird.