DE102022202324A1 - Prepreg, Teilleiterisolation und elektrische rotierende Maschine mit Teilleiterisolation - Google Patents

Prepreg, Teilleiterisolation und elektrische rotierende Maschine mit Teilleiterisolation Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Prepreg zur maschinellen Verarbeitung in automatisierten Prozessen bei der Herstellung von Teilleiterisolationen von elektrischen rotierenden Maschinen. Entsprechend betrifft die Erfindung das Prepreg, die Teilleiterisolation, herstellbar mit dem Prepreg und schließlich eine elektrische rotierende Maschine mit einer entsprechenden Teilleiterisolation. Durch die hier erstmals vorgestellten Prepregs wird die Schaffung von Teilleiterisolationen möglich, die wegen ihrer guten mechanischen Eigenschaften und ihrer hohen Teilentladungsresistenz der extremen elektrischen Belastung an den Kanten und/oder Radien der Teilleiter entgegenwirken und damit zu einer Verbesserung des gesamten Isolationssystems an der Schwachstelle der Teilleiterisolation und insbesondere bei der Teilleiterisolation an den Kanten und/oder Radien, führen. Unter anderem ist mittels Elementaranalyse jederzeit nachweisbar, ob Si-Atome in der Teilleiterisolation eingesetzt wurden oder nicht.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Prepreg zur maschinellen Verarbeitung in automatisierten Prozessen bei der Herstellung von Teilleiterisolationen von elektrischen rotierenden Maschinen. Entsprechend betrifft die Erfindung das Prepreg, die Teilleiterisolation, herstellbar mit dem Prepreg und schließlich eine elektrische rotierende Maschine mit einer entsprechenden Teilleiterisolation.
  • Bei elektrischen Maschinen wird in der Regel eine Aufsplittung eines elektrischen Leiters in mehrere parallele Teilleiter vorgenommen. Dies betrifft sowohl elektrische rotierende Maschinen mit hoher Bemessungsspannung, bei denen die Teilleiter oft in Form von Flachdrähten vorliegen, wie auch für elektrische rotierende Maschinen mit geringerer Bemessungsspannung, wie z. B. Traktionsmotoren, bei denen die Teilleiter auch in Form von Runddrähten vorliegen. Teilleiter sind in der Nut übereinander mit unterschiedlichem Potential geschichtet oder angeordnet. Damit diese Teilleiter nicht miteinander elektrisch kurzgeschlossen werden, müssen sie mit einer Teilleiterisolation elektrisch voneinander isoliert sein. Mit der Anordnung und/oder Schichtung - auch Teilleiterverbund genannt - werden dann die Nuten des Blechpakets des zylindrisch aufgebauten Rotors einer elektrischen rotierenden Maschine, wie eines Motors, beispielsweise auch eines Traktionsmotors, gefüllt. Wichtig ist beim Einbringen der Teilleiter und/oder des Teilleiterverbunds, dass die Isolation der Teilleiter erhalten bleibt. Insbesondere an den Kanten bei den Flachdrähten können beim Einbringen des Teilleiterverbunds in die Nut mechanische Schäden auftreten.
  • Die Herstellung einer Wicklung für elektrische rotierende Maschinen wird aus Flachdraht oder Runddraht bewerkstelligt.
  • Die Wicklung einer elektrischen rotierenden Maschine umfasst dabei Teilleiterverbunde, insbesondere Verbunde aus Flachdraht-Teilleitern in Form von Spulen, z.B. drei, die wiederum mehrere Windungen, welche durch Teilleiter realisiert werden, haben. In einer Nut im Blechpaket sind nun Teilleiter übereinander mit unterschiedlichem Potential geschichtet. Damit diese Teilleiter nicht miteinander elektrisch kurzgeschlossen werden, müssen sie mit einer Teilleiterisolation elektrisch voneinander isoliert werden. Je nach Design der Wicklungen können auch geschichtete Teilleiterverbunde nebeneinander in der Nut angeordnet werden. Die, beispielsweise parallel, angeordneten isolierten und geschichteten Teilleiter bilden den Teilleiterverbund.
  • Es gibt verschiedene Arten von Teilleiter, die Erfindung betrifft insbesondere flache. Bei der Wicklung und der Einbringung in die Nuten findet immer wieder ein Abkratzen oder eine sonstige Beschädigung der Teilleiterisolation, insbesondere an den Kanten statt.
  • Dies ist insbesondere deshalb so nachteilig, weil genau die Teilleiterkanten der Bereich mit der höchsten elektrischen Feldstärke auf Grund der geometrischen Feldüberhöhung an der Kante ist. Dort ist die Gefahr der Zündung von Teilentladungen im Betrieb am höchsten. Diese Teilentladungen können die polymere Isolation im Laufe der Betriebsdauer derart schädigen, dass die Teilleiterisolation durchschlägt und zwei elektrische Teilleiter miteinander kurzgeschlossen werden.
  • Nach dem Einbringen der einzelnen Teilleiter in die Nut sind die einzelnen Teilleiter zwar voneinander elektrisch isoliert und zueinander fixiert, aber der Teilleiterverbund wird noch mit einer Hauptisolation versehen, um durch diese ausreichend gut vom geerdeten Blechpaket isoliert zu werden. Dabei ist die größte Spannungsdifferenz nicht zwischen den Teilleitern zu finden, sondern zwischen dem Teilleiter mit der höchsten Spannung und dem Blechpaket, ein Teil dessen die Nut ist. Dies wird durch eine Hauptisolation, die die Teilleiterisolation und den geschichteten Teilleiterverbund zusätzlich gegenüber dem Blechpaket isoliert, erreicht. Z.B. kommt dabei der VPI Prozess zum Einsatz. Wenn nun Schadstellen an der einzelnen Teilleiterisolation und/oder am Teilleiterverbund vorhanden sind, setzt sich diese Schwachstelle durch die ganze Isolation hindurch fort, mit verheerenden Folgen für die Lebensdauer der elektrischen rotierenden Maschine. Daher ist die Technik der Herstellung eines Teilleiterverbunds und/oder der einzelnen Teilleiterisolation ein wichtiger Baustein für die Güte der elektrischen rotierenden Maschine.
    Dies umso mehr, weil die auftretenden Teilentladungen zu einer sehr starken lokalen Erhitzung führen, durch die die organischen, Kohlenstoff-haltigen Bestandteile des Isolationssystems sehr stark degradiert werden und in die Gasphase „CO2-Freisetzung“ übergehen. Durch die fortwährende Teilentladungsbelastung wird das Isolationssystem so weit beschädigt, bis die Durchschlagsfestigkeit überschritten ist und es zu einem elektrischen Kurzschluss zwischen Teilleiter und Blechpaket kommt und somit zum Ausfall der Maschine. Durch eine fortschreitende Entwicklung von elektrisch rotierenden Maschinen, die auf eine Erhöhung der Leistungsdichte abzielen, wird das Problem der elektrischen Erosion durch Teilentladungsbelastung intensiviert. Dadurch rückt das Thema der Teilentladungsresistenz von Teilleitern stärker in den Fokus.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Technik zur Teilleiterisolation zur Verfügung zu stellen, die die Teilentladungsresistenz, insbesondere die Teilentladungsresistenz an den Kanten und Radien der Teilleiter, erhöht, sowohl
    • - mechanisch gegenüber dem Verletzen oder Beschädigen der Teilleiterisolation beim Einzug oder dem Einlegen der Teilleiterverbunde in die Nuten, weil die Kanten beim Einbringen in die - ebenfalls kantige - Nut die verletzlichste Stelle des Teilleiterverbunds sind, als auch
    • - dielektrisch und materialtechnisch von der Zusammensetzung und dem Aufbau der Teilleiterisolation her gegenüber den im Betrieb insbesondere an den Kanten auftretenden Teilentladungen, weil dort der Bereich einer geometrischen Feldüberhöhung ist.
  • Die oben gestellte Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er in der Figur, den Ansprüchen und der Beschreibung offenbart ist, gelöst.
  • Dementsprechend ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Prepreg zur Teilleiterisolation, einen festen Isolationswerkstoff in einer Prepreg-Matrix umfassend, wobei
    • - fester Isolationswerkstoff in Form von Lagen und/oder Füllstoffpartikel in der Prepreg-Matrix vorliegen, der feste Isolationswerkstoff zumindest teilentladungsresistentes Material, gegebenenfalls mit einem Bandkleber, umfasst, wobei
    • - die Prepreg-Matrix auf Kohlenstoff-Basis ist, obwohl bis zu 45Gew%, bevorzugt bis zu 35Gew% und insbesondere bevorzugt bis zu 25Gew% des Gesamtgewichtes der Prepreg-Matrix durch Siloxan, Polysiloxan, Silsesquioxan und/oder Polysilsesquioxan ersetzt ist, wobei
    • - der feste Isolationswerkstoff in der Prepreg-Matrix eingebettet ist und im vorgehärteten B-Zustand „B-stage“ zur Teilleiterisolation und/oder zum Teilleiterverbund verarbeitbar ist.
  • Unter „Prepreg-Matrix“ wird ein - gemäß der Erfindung zumindest teilweise durch Silizium-haltiges Harz substituiertes - kohlenstoffhaltiges Kunstharz oder Duromer, wie z.B. Epoxid, Polyester, Polyamid, Polyamidimid, Polyetherimid und/oder eine beliebige Mischung und/oder Copolymer dieser Kohlenstoff-basierten Harze verstanden, die nach Härtung einen Kunststoff, also in voll ausgehärtetem Zustand ein Duromer, ergeben.
  • Typischerweise können Duromere nicht unzersetzt geschmolzen werden, sondern zersetzen sich, ohne vorher weich zu werden. Dies ist auf die dreidimensionale Vernetzung der, das Duromer durch Härtung bildenden, Monomereinheiten zurückzuführen. Vor dieser vollständigen Härtung „C-Zustand“ befinden sich die Monomereinheiten in einem „B-Zustand“, in dem zwar Vernetzung vorliegt, so dass die Monomeren nicht mehr fließfähig sind, aber eben eine unzersetzt schmelzbare, also „verflüssigbare“ Vernetzung. Beispielsweise liegt eine lineare Kettenvernetzung vor, aber noch keine Quervernetzung. Diese Vorvernetzung ist der B-Zustand der Perpreg-Matrix bei Verarbeitung. Die reinen Epoxidharze sind gut vorvernetzbar, sind aber leicht dünnflüssig und fließen daher - vor allem an den Kanten - bei geringer Erwärmung wieder ab. Die Prepregs gemäß der Erfindung befinden sich im B-Zustand in einem nicht ausgehärteten, flexiblen Zustand, der einem Abfließen von den Kanten entgegenwirkt.
  • Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass durch Zugabe sterisch komplexer Polysiloxane und/oder Silsesquioxane der B-Zustand der Prepreg-Matrix eine ganz andere Rheologie aufweist als der allein Kohlenstoff-basierte, weil diese -z.B. sterisch komplexen - Silizium-basierten Monomereinheiten im B-Zustand bereits eine hohe Festigkeit des Kunstharzes bei Beibehaltung der vollen Flexibilität des B-Zustands bewirken. Somit sind sie sowohl besser verarbeitbar als auch mechanisch stabiler und vor allem geeignet, das Harz beispielsweise an den Kanten länger im B-Zustand zu halten, als es bei reinen Kohlenstoff-basierten Kunstharzen der Fall ist.
  • Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Prepreg in Form von flächigem Werkstoff, wie Lagen, insbesondere bandförmigen Lagen, auch „Bandlagen“ genannt, auf die Teilleiter aufgebracht. Beispielsweise wird das Prepreg in Form von zumindest zwei Lagen um die Teilleiter gewickelt.
  • Dabei ist insbesondere vorteilhaft, wenn der feste Isolationswerkstoff als teilentladungsresistentes Material Glimmer umfasst, der - wiederum beispielsweise - mit einem Träger, wie einem Fasergewebe, verbunden vorliegt. Dieser feste Isolationswerkstoff liegt in Form von Bändern oder Lagen vor und wird mit der Formulierung, die nach Vorhärtung eine Prepreg-Matrix nach der Erfindung bildet, zur Herstellung des Prepregs imprägniert und dann vorgehärtet in den B-Zustand.
  • Bei der Aufbringung der Prepregs in Form von Bandlagen ist es vorteilhaft, wenn die Bandlagen anstoßend und/oder in gleichsinniger Richtung um den oder die Teilleiter gewickelt werden.
  • Hier ist es besonders vorteilhaft, wenn die zweite Bandlage um 40% bis 60% versetzt über der ersten Bandlage um den oder die Teilleiter gewickelt wird.
  • Monomereinheiten für Epoxidharze, die Epoxidgruppen auf einem Kohlenstoff-Gerüst tragen, sind durch die Umsetzung von einer Verbindung mit Hydroxygruppen und/oder Aminen und/oder Amiden und Epichlorhydrin herstellbar. Als Verbindungen mit Hydroxygruppen eignen sich beispielsweise aliphatische Diole, Phenole, phenolische Verbindungen und/oder Dicarbonsäuren. Als Phenole werden Verbindungen wie Bisphenol -A, -F und/oder Novolake verwendet. Als mehrwertige Alkohole werden Verbindungen wie 1,4-Budandiol eingesetzt. Di- und Polyole führen zu Diglycid-Polyethern.
  • Die Prepreg-Matrix umfasst zudem eine Mischung von Harz und Härter im Fall einer Additionspolymerisation im stöchiometrischen Verhältnis und im Falle einer Homopolymerisation mit einem geringen Anteil - beispielsweise kleiner 10Gew% - bevorzugt kleiner 5Gew%, insbesondere bevorzugt kleiner 2Gew%, besonders bevorzugt innerhalb eines Bereichs von 0,5 bis 1,5 Gew%, bezogen auf die Gesamtmasse der jeweiligen Prepreg-Matrix, an Initiator.
  • Als B-stage oder B-Zustand bezeichnet man einen Zustand der Vorhärtung des Kunstharzes, in der die Prepreg-Matrix zwar fest vorliegt und somit als Teilleiterisolation verarbeitbar ist, aber die dennoch unzersetzt schmelzbar ist. Das Prepreg wird im B-Zustand verarbeitet und dann mit Bildung der Hauptisolation - beispielsweise unter Druck und Wärme - durch Heißpressen zur vollständig ausgehärteten Teilleiterisolation und/oder zum vollständig ausgehärteten Teilleiterverbund durchgehärtet.
  • Gemäß der Erfindung wird in der Prepreg-Matrix ein nicht unerheblichen Teil der Kohlenstoff-basierten Harzanteil Prepreg-Matrix durch Monomereinheiten, die Epoxidgruppen an einer Silizium-haltigen Komponente tragen, substituiert. Als „Silizium-haltige Komponente“ werden beispielsweise Verbindungsklassen wie Siloxan, Polysiloxan, Silsesquioxan und/oder Polysilsesquioxan bezeichnet.
  • Die Silizium-haltige Komponente ist in der Prepreg-Matrix mit einem Mengenanteil von größer/gleich 2 Gew%, also beispielsweise 2 %, 3 %, 4 %, 5 %, 6 %, 7 %, 8 %, 9 %, 10 %, 11 %, 12 %, 13 %, 14 %, 15 %, 16 %, 17 %, 18 %, 19 %, 20 %, 21 %, 22 %, 23 %, 24 %, 25 %, 26 %, 27 %, 28 %, 29 %, 30 %, 31 %, 32 %, 33 %, 34 %, 35 %, 36 %, 37 %, 38 %, 39 %, 40 %, 41 %, 42 %, 43 %, 44 %, 45 %, 46 %, 47 %, haben. Es versteht sich, dass sich die Stoffmengenanteile aller Verbindungen der Harzformulierung immer und ausschließlich zu 100 Gew.-% ergänzen.
  • Der Kohlenstoff-basierte Harzanteil ist in der Prepreg-Matrix mit einem Mengenanteil von größer/gleich 8Gew%, also beispielsweise 8 %, 9 %, 10 %, 11 %, 12 %, 13 %, 14 %, 15 %, 16 %, 17 %, 18 %, 19 %, 20 %, 21 %, 22 %, 23 %, 24 %, 25 %, 26 %, 27 %, 28 %, 29 %, 30 %, 31 %, 32 %, 33 %, 34 %, 35 %, 36 %, 37 %, 38 %, 39 %, 40 %, 41 %, 42 %, 43 %, 44 %, 45 %, 46 %, 47 %, 48 %, 49 %, 50 %, 51 %, 52 %, 53 %, 54 %, 55 %, 56 %, 57 %, 58 %, 59 %, 60 %, 61 %, 62 %, 63 %, 64 %, 65 %, 66 %, 67 %, 68 %, 69 %, 70 %, 71 %, 72 %, 73 %, 74 %, 75 %, 76 %, 77 %, 78 %, 79 %, 80 %, 81 %, 82 %, 83 %, 84 %, 85 %, 86 %, 87 %, 88 %, 89 %, 90 %, 91 %, 92 %, 93 %, 94 %, 95 %, 96 %, 97 %, 98 % oder 99 % enthalten.
  • Eine verbesserte elektrische und mechanische Beständigkeit wird nach einer vorteilhaften Ausführungsform dadurch ermöglicht, dass die Prepreg-Matrix zusätzlich zum Kohlenstoff-basierten Basisharz wenigstens eine Silizium-haltige Komponente mit zumindest einer gesättigten und/oder ungesättigten Epoxycycloalkylgruppe umfasst, mittels welcher eine Glasübergangstemperatur des Isolationsmaterials gegenüber einer Imprägnierformulierung ohne die Silizium-haltige Komponente erhöht ist.
  • Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Prepreg-Matrix mindestens zwei Bestandteile enthält, nämlich ein Kohlenstoff-haltiges Basisharz und eine Silizium-haltige Komponente, die bevorzugt eine oder mehrere Epoxycycloalkylgruppen aufweist, wobei jede der Epoxycycloalkylgruppen gesättigt oder ein- oder mehrfach ungesättigt sein kann. Ungesättigte Epoxycycloalkylgruppen können auch als Epoxycycloalkenylgruppen bezeichnet werden. Die cycloaliphatische(n) Epoxidfunktionalität(en) der Silizium-haltigen Komponente ist bzw. sind sterisch sehr anspruchsvoll und weist bzw. weisen einen hohen Raumbedarf aufgrund der nicht-planaren cycloaliphatischen Ringstruktur auf. Daher führt der Einbau dieser Struktur(en) in das polymere Netzwerk des ausgehärteten Isolationsmaterials im Vergleich zu einer Matrix, welche die wenigstens eine Silizium-haltige Komponente nicht enthält, ansonsten aber gleich zusammengesetzt ist, zu höheren Glasübergangstemperaturen bei gleichzeitig erhöhter elektrischer Beständigkeit des ausgehärteten Isolationsmaterials.
  • Der Glasübergang erfolgt in der Regel nicht bei einem scharfen Temperaturwert, sondern in einem Glasübergangstemperaturbereich. Als Glasübergangstemperatur wird in einem solchen Fall der mittlere Temperaturwert des Glasübergangstemperaturbereichs verwendet. Das molar-stöchiometrische Verhältnis von Harzformulierung zu Härter - bei Additionspolymerisationkann nach Bedarf eingestellt werden, wobei üblicherweise ein Verhältnis im Bereich von etwa 1:0,9 bis etwa 1:1,1 verwendet wird.
  • Generell sind „ein/eine“ im Rahmen dieser Offenbarung als unbestimmte Artikel zu lesen, also ohne ausdrücklich gegenteilige Angabe immer auch als „mindestens ein/mindestens eine“. Umgekehrt können „ein/eine“ auch als „nur ein/nur eine“ verstanden werden. Entsprechend kann der Begriff „umfassen“ generell so verstanden werden, dass neben den genannten Elementen weitere Elemente vorhanden sein können. Umgekehrt kann der Begriff „umfassen“ generell aber auch im Sinne von „bestehen aus“ verstanden werden, das heißt dass neben den genannten Elementen keine weiteren Elemente vorhanden sein dürfen.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Silizium-haltige Komponente mindestens 2 und vorzugsweise zwischen 8 und 12 gesättigte und/oder ungesättigte Epoxycycloalkylgruppen. Mit anderen Worten weist die Silizium-haltige Komponente mehrere gesättigte und/oder ungesättigte Epoxycycloalkylgruppen, nämlich beispielsweise 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 oder mehr auf. Hierdurch kann die Silizium-haltige Komponente als multifunktioneller Vernetzer mit einstellbarem Raumbedarf verwendet werden, wodurch die Glasübergangstemperatur des ausgehärteten Isolationsmaterials besonders präzise einstellbar ist. Alternativ oder zusätzlich ist es vorgesehen, dass die wenigstens eine Epoxycycloalkylgruppe über einen Spacer an ein Strukturelement der Silizium-haltigen Komponente gebunden ist. Der Spacer kann beispielsweise ein C1-C12-Alkylrest sein und generell an jeder geeigneten Position der Cycloalkylgruppe angebunden sein. Dies ermöglicht ebenfalls eine besonders präzise Einstellung der Glasübergangstemperatur und erleichtert im Einzelfall die Anordnung mehrerer Epoxycycloalkylgruppen am Strukturelement der Silizium-haltigen Komponente.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Epoxycycloalkylgruppe ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Epoxy-C3-C8-Cycloalklygruppen umfasst. Mit anderen Worten kann die wenigstens eine Epoxycycloalkylgruppe eine Epoxycyclopropyl-, Epoxycyclobutyl-, Epoxycyclopentyl-, Epoxycyclohexyl-, Epoxycycloheptyl- oder Epoxycyclooctylgruppe sein. Auch hierdurch kann der Raumbedarf der Silizium-haltigen Komponente und damit die Glasübergangstemperatur des ausgehärteten Isolationsmaterials besonders präzise eingestellt werden.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Prepreg-Matrix wenigstens ein Epoxycycloalkylgruppen-haltiges Polysilsesquioxan umfasst. Polysilsesquioxane sind Siliziumharze, die unter Verwendung trifunktionaler Organosilanverbindungen synthetisiert werden können und ein organisch-anorganisches Hybridmaterial darstellen, das die anorganischen Eigenschaften der Siloxanbindung (Si-O-Si), die die Hauptkette bildet, und die organischen Eigenschaften der organischen Funktionsgruppe, die die Seitenkette(n) bildet bzw. bilden, kombiniert. Dieser molekulare, bei Raumtemperatur „flüssige Sand“, der üblicherweise Partikeldurchmesser ≤1 nm besitzt, kann generell mit einer oder mehreren Epoxycycloalkylfunktionalitäten modifiziert werden, wobei jede Epoxycycloalkylgruppe gegebenenfalls über einen Spacer wie etwa eine Methyl-, Ethyl-, Propylgruppe etc. an ein Siliziumatom als Strukturelement des Polysilsesquioxans gebunden sein kann.
  • Hierdurch weisen derartige Polysilsesquioxan-Derivate einerseits eine gute Löslichkeit in Epoxidharzen auf, andererseits sind ihre UV-Stabilität sowie Hydrophobizität vorteilhaft erhöht.
  • Dabei werden Teile des Kohlensotff-basierten Diglycidylethers durch beispielsweise glycidylether-funktionalisierte polyedrische Silsesquioxane ersetzt.
  • Die cycloaliphatischen Epoxyfunktionalität(en) dieser Hybridmoleküle können beispielsweise mit einem anhydridhaltigen Basis-Epoxidharz copolymerisieren und werden so vollständig und hochdispers in der resultierenden Prepreg-Matrix eingebaut. Die cycloaliphatische(n) Epoxidfunktionalität(en) weist bzw. weisen die bereits erwähnte hohe Sterik aufgrund der nicht-aromatischen Ringstruktur(en) auf und führen bei Einbau der Silizium-haltigen Komponente in das polymere Netzwerk zu höheren Glasübergangstemperaturen. Da das Rückgrat dieser als Additive dienenden Polysilsesquioxan-Derivate aus einem (Poly)Oligosiloxan besteht - also organischmodifiziertes Silizum - das beispielsweise gemäß der Formel (Epoxycyclohexylethyl) 8-12 (SiO1.5)8-12 bereits 1,5-fach oxidiert vorliegt - ist die Stufe zum vollständig oxidierten und quasi organisch eingebetteten Siliziumdioxid durch Teilentladungsbeschuss im Betrieb einer zugeordneten elektrischen Maschine sehr schnell erreicht, sodass diese Polysilsesquioxan-Derivate in der Prepreg-Matrix unter elektrischer Belastung in-situ in ein hochaktives Anti-Erosionsadditiv umgewandelt werden.
  • Die genannten Polysilsesquioxan-Derivate weisen zudem weitere vorteilhafte Eigenschaften wie Transparenz, Hitzebeständigkeit, Härte, elektrische Widerstandsfähigkeit, Dimensionsstabilität (geringe Wärmeausdehnung) und Flammschutzverhalten auf. Neben einer oder mehreren cycloaliphatischen Epoxyfunktionalität(en) können grundsätzlich eine oder mehrere abweichende Funktionsgruppen vorgesehen sein, über welche weitere Eigenschaften wie Kompatibilität mit dem Epoxidbasisharz und/oder der Härterformulierung, Dispersionsstabilität, Lagerstabilität, Bruchfaktor sowie Reaktivität eingestellt werden können.
  • Weitere Vorteile ergeben sich, indem das wenigstens eine Epoxycycloalkylgruppen-haltige Polysilsesquioxan eine zufällige Struktur, eine Leiterstruktur und/oder eine Käfigstruktur besitzt. Hierdurch kann gezielt Einfluss auf die resultierende Glasübergangstemperatur der Prepreg-Matrix zur Teilleiterisolation genommen werden. Beispielsweise kann das Epoxycycloalkylgruppen-haltige Polysilsesquioxan eine Käfigstruktur mit 6, 8, 10 oder 12 Si-Vertices aufweisen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Prepreg-Matrix ein cycloaliphatisches Epoxidharz, insbesondere 3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3' ,4'-epoxycyclohexancarboxylat, umfasst oder ist. Auch dies stellt ein vorteilhaftes Glasübergangsmodifizierungsmittel dar, mittels welchem die Glasübergangstemperatur des ausgehend von der Prepreg-Matrix später dann ausgehärteten Isolationsmaterials vorteilhaft gesteigert werden kann.
  • Weitere Vorteile ergeben sich, indem die Prepreg-Matrix zusätzlich wenigstens ein Polysiloxan, insbesondere ein Diglycidylether-terminiertes Poly(dialkylsiloxan) und/oder ein Diglycidylether-terminiertes Poly(phenylsiloxan), umfasst. Polysiloxane können wie Polysilsesquioxane im ausgehärteten Isolationsmaterial ein -SiR2-0-Rückgrat bilden. Dabei steht „R“ für alle Arten organischer Reste, die sich zur Härtung und/oder zur Vernetzung zu einem Isolationsmaterial eignen. Insbesondere steht R für -Aryl, -Alkyl, -Heterocyclen, Stickstoff, Sauerstoff und/oder Schwefel substituierte Aryle und/oder Alkyle. Insbesondere kann jedes R gleich oder ungleich gewählt sein und generell 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 etc., insbesondere beispielsweise alle Arylreste, 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. -CN, -CNO,-CNS, -N3 (Azid) etc.
    • - Schwefel substituierte Aryle und/oder Alkyle: z.B. Thiophen, aber auch Thiole.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kunstharz ausgewählt ist aus einer Gruppe, die phthalsäureanhydridderivathaltige Epoxidharze und phthalsäureanhydridderivatfreie Epoxidharze, insbesondere Bisphenol-A-Diglycidylether (BADGE), Bisphenol-F-Diglycidylether (BFDGE), Epoxy-Novolak, Epoxy-Phenol-Novolak, Epoxy-Polyurethane oder eine beliebige Mischung hieraus umfasst. Beispielsweise kann das Epoxidbasisharz 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 mit Lösemitteln verdünnter 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-Diglycidylpara-glycidyloxyanilin z.B. MY0500, MY0510, N,N-Diglycidylmeta-glycidyloxyanilin z.B. MY0600, MY0610, N,N,N',N'-Tetraglycidyl-4,4'-methylendianilin z.B. MY720, MY721, MY725, sowie beliebiger Mischungen der vorgenannten Verbindungen sein.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Härter - für den Fall der Additionspolymerisation - und/oder die Initiatoren - für den Fall einer Homopolymerisation und gegebenenfalls auch für den Fall einer Additionspolymerisation - ausgewählt ist aus einer Gruppe, die kationische und anionische Härtungskatalysatoren, Amine, Säureanhydride, insbesondere Methylhexahydrophthalsäureanhydrid, Siloxan-basierte Härter, oxirangruppenhaltige Härter, insbesondere Glycidylether, Supersäuren, Epoxyfunktionalisierte Härter oder eine beliebige Mischung hieraus umfasst, und/oder ein tertiäres Amin und/oder ein organisches Zinksalz, umfasst. Beispielsweise kann als Initiator ein oder mehrere organische Salze, wie organische Ammonium-, Sulphonium-, Iodonium-, Phosphonium- und/oder Imidazolium-salze und Amine, wie tertiäre Amine, Pyrazole und/oder Imidazol-Verbindungen vorliegen. Beispielhaft genannt sei hier 4,5-Dihydroxymethyl-2-phenylimidazol und/oder 2-Phenyl-4-methyl-5-hydroxymethylimidazol.
  • Es wurde gefunden, dass organische, zum Teil dünnflüssige glycidyletherfunktionalisierte Methyl-/Phenyl-Polysiloxane und/oder Silsesquioxane in anhydridhaltigen, aber auch in anhydridfreien Kohlenstoff-basierten Kunstharz-Gemischen, wie z.B. Epoxidharzen, Polyimiden, Polyamiden..., bei thermischer Vor-Härtung zu vorteilhaften Prepreg-Matrizen für Teilleiterisolationen führen.
  • Die unter Verwendung von Polysiloxan-haltigen und/oder Polysilsesquioxan-haltigen Kunstharzen auf Glycidyletherbasis hergestellten Prepreg-Matricen eignen sich wesentlich besser als die rein Kohlenstoff-basierten zur Haftung des Prepregs auf den Teilleitern und insbesondere auf den TeilleiterKanten und zur Bildung des Teilleiterverbunds, insbesondere auch im Hinblick auf die Einbringung des Teilleiterverbunds in eine Nut.
  • Als festen Isolationswerkstoff umfasst der Lack beispielsweise Glimmerpartikel, SiO2 Nanopartikel oder ähnliche Teilentladungsresistente, insbesondere auch mineralische Partikel.
  • Beispielsweise können zur Erzielung des technischen Effekts folgende Prepreg-Matrices eingesetzt werden:
    • Beispiel 1:
      • 40 Gew.-% polysiloxansubstituierte Epoxidharzkomponente (1,3-Bis(3-glycidyl-oxypropyl)tetramethyldisiloxan), 10 Gew.- % cycloaliphatische Epoxidharz-Komponente (3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3' ,4'-epoxycyclohexancarboxylat), 50 Gew.-% Bisphenol-A-Diglycidylether als Epoxidbasisharz;
    • Beispiel 2:
      • 40 Gew.-% polysiloxansubstituierte Epoxidharzkomponente (1,3-Bis(3-glycidyl-oxypropyl)tetramethyldisiloxan), 20 Gew.- % cycloaliphatische Epoxidharz-Komponente (3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3' ,4'-epoxycyclohexancarboxylat), 40 Gew.-% Bisphenol-A-Diglycidylether als Epoxidbasisharz;
    • Beispiel 3:
      • 30 Gew.-% polysiloxansubstituierte Epoxidharzkomponente (1,3-Bis(3-glycidyl-oxypropyl)tetramethyldisiloxan), 30 Gew.- % cycloaliphatische Epoxidharz-Komponente (3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3' ,4'-epoxycyclohexancarboxylat), 40 Gew.-% Bisphenol-A-Diglycidylether als Epoxidbasisharz;
    • Beispiel 4:
      • 20 Gew.-% polysiloxansubstituierte Epoxidharzkomponente (1,3-Bis(3-glycidyl-oxypropyl)tetramethyldisiloxan), 40 Gew.- % cycloaliphatische Epoxidharz-Komponente (3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3' ,4'-epoxycyclohexancarboxylat), 40 Gew.-% Bisphenol-A-Diglycidylether als Epoxidbasisharz.
  • Als Härter kann in allen Beispielen ein Anhydrid, beispielsweise ein Phthalsäureanhydrid, wie z.B. Methylhexahydrophthalsäureanhydrid, verwendet werden. Als Initiator kann in allen Beispielen beispielsweise Benzyldimethylamin mit 0,8 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmasse der jeweiligen Prepreg-Matrix verwendet werden.
  • Durch die hier erstmals vorgestellten Prepregs wird die Schaffung von Teilleiterisolationen möglich, die wegen ihrer guten mechanischen Eigenschaften und ihrer hohen Teilentladungsresistenz der extremen elektrischen Belastung an den Kanten und/oder Radien der Teilleiter entgegenwirken und damit zu einer Verbesserung des gesamten Isolationssystems an der Schwachstelle der Teilleiterisolation und insbesondere bei der Teilleiterisolation an den Kanten und/oder Radien, führen. Unter anderem ist mittels Elementaranalyse jederzeit nachweisbar, ob Si-Atome in der Teilleiterisolation eingesetzt wurden oder nicht.

Claims (15)

  1. Prepreg zur Teilleiterisolation, einen festen Isolationswerkstoff in einer Prepreg-Matrix umfassend, wobei - fester Isolationswerkstoff in Form von Lagen und/oder Füllstoffpartikel in der Prepreg-Matrix vorliegen, der feste Isolationswerkstoff zumindest teilentladungsresistentes Material, gegebenenfalls mit einem Bandkleber, umfasst, wobei - die Prepreg-Matrix auf Kohlenstoff-Basis ist, obwohl bis zu 45Gew%, bevorzugt bis zu 35Gew% und insbesondere bevorzugt bis zu 25Gew% des Gesamtgewichtes der Prepreg-Matrix durch eine Silizium-haltige Komponente, ausgewählt aus der folgenden Gruppe: Siloxan, Polysiloxan, Silsesquioxan und/oder Polysilsesquioxan ersetzt ist, wobei - der feste Isolationswerkstoff in der Prepreg-Matrix eingebettet ist und im vorgehärteten B-Zustand „B-stage“ zur Teilleiterisolation und/oder zum Teilleiterverbund verarbeitbar ist.
  2. Prepreg nach Anspruch 1, wobei die Silizium-haltige Komponente in der Prepreg-Matrix mindestens 2 und vorzugsweise zwischen 8 und 12 gesättigte und/oder ungesättigte Epoxycycloalkylgruppen umfasst.
  3. Prepreg nach Anspruch 1 oder 2, wobei die wenigstens eine Epoxycycloalkylgruppe in der Prepreg-Matrix ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Epoxy-C3-C8-Cycloalklygruppen umfasst und/oder wobei die wenigstens eine Epoxycycloalkylgruppe über einen Spacer an ein Strukturelement der Silizium-haltigen Komponente gebunden ist.
  4. Prepreg nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Silizium-haltige Komponente in der Prepreg-Matrix wenigstens ein Epoxycycloalkylgruppen-haltiges Polysilsesquioxan umfasst.
  5. Prepreg nach Anspruch 4, wobei das wenigstens eine Epoxycycloalkylgruppen-haltige Polysilsesquioxan in der Prepreg-Matrix eine zufällige Struktur, eine Leiterstruktur oder eine Käfigstruktur besitzt.
  6. Prepreg nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Silizium-haltige Komponente ein cycloaliphatisches Epoxidharz, insbesondere 3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3',4'-epoxycyclohexancarboxylat, umfasst.
  7. Prepreg nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prepreg-Matrix zusätzlich wenigstens ein Polysiloxan, insbesondere ein Diglycidylether-terminiertes Poly(dialkylsiloxan) und/oder ein Diglycidylether-terminiertes Poly(phenylsiloxan), umfasst.
  8. Prepreg nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kohlenstoff-haltige Basisharz in der Prepreg-Matrix ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Anhydridderivat-haltige Epoxidharze und Anhydridderivat-freie Epoxidharze, insbesondere ein Epoxidharz ausgewählt aus der Gruppe der folgenden Verbindungen: Bisphenol-A-Diglycidylether (BADGE), Bisphenol-F-Diglycidylether (BFDGE), Epoxy-Novolak, Epoxy-Phenol-Novolak, Polyurethane, Polyester, Polyamid, Polyamidimid, Polyetherimid und/oder eine beliebige Mischung und/oder Copolymer dieser Kohlenstoff-basierten Harze umfasst.
  9. Prepreg nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prepreg-Matrix einen Härter, ausgewählt aus einer Gruppe, die kationische und anionische Härtungskatalysatoren, Amine, Säureanhydride, insbesondere Methylhexahydrophthalsäureanhydrid, Siloxan-basierte Härter, oxirangruppenhaltige Härter, insbesondere Glycidylether, Supersäuren, Epoxi-funktionalisierte Härter oder eine beliebige Mischung hieraus umfasst, und/oder dass die Prepreg-Matrix wenigstens eine Beschleunigersubstanz, insbesondere ein tertiäres Amin und/oder ein organisches Zinksalz, umfasst.
  10. Prepreg nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prepreg-Matrix ein Kohlenstoff-haltiges Basisharz in einer Menge von 10Gew% oder mehr aufweist.
  11. Prepreg nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prepreg-Matrix eine Silizium-haltige Komponente in einer Menge von 5Gew% oder mehr aufweist.
  12. Teilleiterisolation für elektrische Leiter einer elektrischen rotierenden Maschine in Flachdrahtform, herstellbar durch Wicklung der elektrisch leitfähigen Flachdrähte mit einem Prepreg nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
  13. Teilleiterisolation nach Anspruch 12, herstellbar durch Wicklung von Prepreg in Form von Lagen nach einem der Ansprüche 1 bis 11 um den Teilleiter herum.
  14. Teilleiterverbund, erhältlich durch Wicklung aus isolierten Teilleitern mit einem Prepreg nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in Form von Bandlagen.
  15. Elektrische rotierende Maschine umfassend eine Teilleiterisolation umfassend eine Teilleiterisolation nach einem der Ansprüche 12 bis 14.
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