DE10227559A1

DE10227559A1 - Winding for electrical machine has sub-conductor insulation arrangement consisting of synthetic material whose thermal conductivity is at least 0.4 Watts/mKelvin

Info

Publication number: DE10227559A1
Application number: DE2002127559
Authority: DE
Inventors: Bernhard Klausner; Gerhard Maul; Alexander Maeurer; Klaus Schaefer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-06-20
Filing date: 2002-06-20
Publication date: 2003-10-02

Abstract

The winding has an electrical conductor for carrying an electric current and a sub-conductor insulation arrangement arranged on the surface of the electrical conductor. The sub-conductor insulation arrangement consists of a synthetic material whose thermal conductivity is at least 0.4 Watts/mKelvin. The sub-conductor insulation arrangement has a carrier made of the synthetic material carrying a -n insulating material. AN Independent claim is also included for the following: an electrical machine with several windings for producing a magnetic field.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Windung für eine elektrische Maschine mit mindestens einem elektrischen Leiter zum Führen eines elektrischen Stroms und einer Teilleiterisolation, die an der Oberfläche des elektrischen Leiters angeordnet ist, zu dessen elektrischer Isolation. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrische Maschine mit mehreren Windungen zum Erzeugen eines Magnetfelds, einer Blechpaketanordnung mit Nuten, in die die Windungen eingelegt sind, zum Leiten des Magnetfelds und einer Hauptisolation, die in jede der Nuten eingebracht ist, zum elektrischen Isolieren der jeweiligen Windung gegenüber der Blechpaketanordnung. The present invention relates to a turn for a electrical machine with at least one electrical conductor for carrying an electric current and one Partial conductor insulation on the surface of the electrical conductor is arranged for its electrical insulation. Furthermore The present invention relates to an electrical machine with multiple turns to generate a magnetic field, one Laminated core arrangement with grooves in which the turns are inserted are for conducting the magnetic field and a main insulation, which is inserted in each of the grooves for electrical Isolate the respective turn from the Core assembly.

Leiter von elektrischen Maschinen, die in Nuten von Blechpaketen eingefügt sind, sind gegenüber diesen elektrisch zu isolieren. Darüber hinaus sind die Leiter bzw. Windungen innerhalb und außerhalb der Nuten untereinander elektrisch zu isolieren. Head of electrical machines in grooves of Sheet packets are inserted, are electrically opposite to these isolate. In addition, the conductors or turns electrically inside and outside of the grooves isolate.

Die elektrische Isolation, die die Leiter, welche üblicherweise aus Kupferrund- oder Profildrähten bestehen, umgibt, wird designabhängig als Leiter- oder Teilleiterisolation bezeichnet. The electrical insulation, the conductors, which usually consist of copper or profile wires, surrounds, is depending on the design as conductor or partial conductor insulation designated.

Mehrere Leiter bzw. Teilleiter, die mit der Teilleiterisolation umgeben sind, werden häufig zu einer Windung zusammengefasst und mit einem Glimmerband zur elektrischen Isolation sowie gegebenenfalls einem Deckband zum mechanischen Schutz umgeben. Bevor die isolierten Windungen in die Nuten eines Blechpakets eingeführt werden, können in die Nuten Nutauskleidungen zum mechanischen Schutz und zur elektrischen Isolierung gegenüber dem Blechpaket eingelegt werden. Die Nutauskleidung, das Deckband und das Glimmerband werden unter dem Begriff Hauptisolation zusammengefasst. Several conductors or sub-conductors working with the Partial conductor insulation are often a turn summarized and with a mica tape for electrical insulation and, if necessary, a cover tape for mechanical protection surround. Before the insulated turns in the grooves of a Sheet metal packages can be inserted into the grooves Groove linings for mechanical protection and for electrical Insulation against the laminated core can be inserted. The Groove lining, the cover tape and the mica tape are under summarized the term main insulation.

Als Isolationsmaterial für die Haupt- und Teilleiterisolation werden zum einen Flächenisolierwerkstoffe verwendet, mit denen die Leiter bzw. Windungen großflächig umschlagen oder mit denen die Nuten ausgekleidet werden. Zum anderen liegt das Isolationsmaterial in Form von Bändern vor, mit dem die Windungen bzw. Teilleiter umsponnen werden. As insulation material for the main and partial conductor insulation surface insulation materials are used, with which the conductors or turns turn over over a large area or with where the grooves are lined. On the other hand, that is Isolation material in the form of tapes with which the Windings or partial conductors are wound.

Der Aufbau des Isolationsmaterials ist gängigerweise einschichtig oder mehrschichtig mit einem oder mehreren Trägern für das Isolationsmaterial. Bei Traktionsmaschinen und Niederspannungsmaschinen wird vielfach einschichtiges Isoliermaterial verwendet, das aus einer Kunststofffolie besteht. Hingegen erfordern Maschinen mit höheren Spannungsbelastungen, wie Hochspannungsmaschinen, den Einsatz von Isoliermaterial mit hoher Durchschlagsfestigkeit. Diese Eigenschaft weist beispielsweise Glimmer auf, der für Isolationszwecke zu sprödem Glimmerpapier verarbeitet wird. Das Glimmerpapier erfordert zur Verarbeitung jedoch einen Träger, der die notwendige mechanische Festigkeit gewährleistet und somit einen zweischichtigen Aufbau des Isoliermaterials notwendig macht. Als Trägermaterial wird üblicherweise eine Kunststofffolie beispielsweise aus Polyester oder Polyimid verwendet. Alternativ kann ein Glasgewebeträger oder ein Träger aus einem Vlieswerkstoff eingesetzt werden. The structure of the insulation material is common single-layer or multi-layer with one or more supports for the insulation material. For traction machines and Low-voltage machines often become single-layered Insulating material used, which consists of a plastic film. On the other hand, machines with higher voltage loads require such as high-voltage machines, the use of insulating material with high dielectric strength. This property points for example, mica that is used for insulation purposes brittle mica paper is processed. The mica paper however requires a carrier for processing that has the necessary guaranteed mechanical strength and thus a two-layer structure of the insulating material is necessary. As Carrier material usually becomes a plastic film for example made of polyester or polyimide. alternative can be a glass fabric backing or a backing made from a Nonwoven material can be used.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die eingangs erwähnten elektrischen Maschinen derart zu konzipieren, dass sie mit erhöhter Leistung betrieben werden können. The object of the present invention is that electrical machines mentioned at the beginning design that they can be operated with increased performance.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass höhere Leistungen erreicht werden können, wenn bei konstanter Leitertemperatur eine höhere Verlustwärme abgeführt werden kann. Die Entwärmung von elektrischen Maschinen wird jedoch durch eine geringe Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Isoliermaterialien behindert. Sie kann zwar dadurch verbessert werden, dass Glimmerbänder mit Glasgewebeträgern eingesetzt werden, bei denen durch eine spezielle Gewebestruktur oder spezielle Füllstoffe, die Wärmeleitfähigkeit der Isolation verbessert wird. Die Herstellung derartiger Isoliermaterialien ist jedoch sehr aufwändig und diese sind nicht in alle Fällen anwendbar. Daher besteht der erfindungsgemäße Gedanke darin, Kunststoffmaterialien mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit für die Isolation elektrischer Maschinen zu verwenden. The invention is based on the idea that higher Achievements can be achieved if constant Conductor temperature a higher heat loss can be dissipated. The However, cooling of electrical machines is caused by a low thermal conductivity of the insulating materials used with special needs. It can be improved by the fact that Mica tapes with glass fabric supports are used at those through a special fabric structure or special Fillers that improve the thermal conductivity of the insulation becomes. The manufacture of such insulating materials is however very expensive and these are not in all cases applicable. Therefore the idea according to the invention consists in Plastic materials with increased thermal conductivity for the Use insulation of electrical machines.

Dementsprechend wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch eine Windung für eine elektrische Maschine mit einem elektrischen Leiter zum Führen eines elektrischen Stroms, und einer Teilleiterisolation, die an der Oberfläche des elektrischen Leiters angeordnet ist, zu dessen elektrischer Isolation, wobei die Teilleiterisolation ein Kunststoffmaterial insbesondere einen Träger aus Kunststoffmaterial umfasst, dessen Wärmeleitfähigkeit mindestens 0,4 W/mK beträgt. Accordingly, the above object is achieved by a turn for an electrical machine with a electrical conductors for carrying an electrical current, and one Partial conductor insulation on the surface of the electrical Conductor is arranged, for its electrical insulation, the partial conductor insulation being a plastic material in particular comprises a carrier made of plastic material, the Thermal conductivity is at least 0.4 W / mK.

Ferner wird die genannte Aufgabe gelöst durch eine elektrische Maschine mit mehreren Windungen zum Erzeugen eines Magnetfelds, einer Blechpaketanordnung mit Nuten, in die die Windungen eingelegt sind, zum Leiten des Magnetfelds und einer Hauptisolation zum elektrischen Isolieren der jeweiligen Windung oder Windungen, die in jede der Nuten eingebracht ist/sind, gegenüber der Bleckpaketanordnung, wobei die Hauptisolation ein Kunststoffmaterial oder einen Träger aus Kunststoffmaterial umfasst, dessen Wärmeleitfähigkeit mindestens 0,4 W/mK beträgt. Furthermore, the stated object is achieved by a electric machine with several turns to produce one Magnetic field, a laminated core arrangement with grooves in which the Windings are inserted to conduct the magnetic field and a main insulation for electrical insulation of the respective Turn or turns introduced into each of the grooves is / are, compared to the Bleckpaketanordnung, the Main insulation made of a plastic material or a carrier Includes plastic material whose thermal conductivity is at least Is 0.4 W / mK.

In vorteilhafter Weise umfasst die Teilleiterisolation einen Träger aus dem gut wärmeleitenden Kunststoffmaterial, der einen elektrischen Isolationswerkstoff, wie beispielsweise Glimmer, trägt. Dadurch wird vermieden, dass das verhältnismäßig gut wärmeleitende Glimmermaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,5 bis 0,7 W/mK für Muskovit bzw. 1,7 W/mK für Phlogoit auf einen Träger kaschiert wird, der nur eine geringe Wärmeleitfähigkeit besitzt und damit eine Wärmebarriere darstellen würde. The partial conductor insulation advantageously includes one Carrier made of the highly thermally conductive plastic material, the an electrical insulation material, such as Mica, wears. This will prevent that relatively good heat-conducting mica material with a Thermal conductivity from 0.5 to 0.7 W / mK for muscovite or 1.7 W / mK for Phlogoit is laminated onto a carrier that is only one has low thermal conductivity and thus a thermal barrier would represent.

Vorzugsweise umfasst das Kunststoffmaterial Polyimid, Polyester oder PEEK. Auch Mischungen davon können verwendet werden. Darüber hinaus können diese oder andere Polymere auch mit Zusätzen versehen sein, die gegenüber dem Kunststoffmaterial über eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit verfügen. Derartige Zusätze wären beispielsweise Bornitrid bzw. Aluminiumoxid. The plastic material preferably comprises polyimide, Polyester or PEEK. Mixtures of these can also be used. In addition, these or other polymers can also be used Additives provided over the plastic material have increased thermal conductivity. such Additives would be, for example, boron nitride or aluminum oxide.

Die Teilleiter- oder Hauptisolation kann durch ein Flächenisoliermaterial, das um den Teilleiter oder um eine Wicklung geschlagen ist, hergestellt werden. Darüber hinaus kann die Teilleiterisolation auch aus einem Isolierband, das um den Teilleiter gesponnen wird, gefertigt sein. The partial conductor or main insulation can be by a Surface insulation material that is around the partial conductor or around a winding is struck, manufactured. In addition, the Partial conductor insulation also from an insulating tape that around the Partial conductor is spun to be manufactured.

Die Teilleiter- oder Hauptisolation umfasst günstigerweise eine Glimmerschicht, die von dem gut wärmeleitenden Kunststoffmaterial getragen wird. Die Glimmerschicht zeichnet sich durch die hohe Durchschlagsfestigkeit aus, so dass eine derart isolierte elektrische Maschine auch für Hochspannungsanwendungen geeignet ist. The partial conductor or main insulation advantageously comprises a mica layer that is of good thermal conductivity Plastic material is worn. The mica layer stands out due to the high dielectric strength, so that a electrical machine so insulated for High voltage applications is suitable.

Die Teilleiter- oder Hauptisolation kann ferner mit einem Glasträger versehen sein. Damit lässt sich beispielsweise der Folienträger mit einem Glasgewebeträger kombinieren, wodurch eine erhöhte mechanische Festigkeit erzielt werden kann. Al- ternativ kann der Glasgewebeträger auch mit dem gut wärmeleitenden Kunststoffmaterial ausgegossen werden. Dadurch wird das verhältnismäßig gut wärmeleitende Glas (0,8 W/mK bei E- Glas) durch ein ebenfalls gut wärmeleitendes Kunststoffmaterial umgeben, womit eine leistungsfähige Entwärmung erzielt werden kann. The partial conductor or main insulation can also be used with a Glass carrier be provided. This can be used, for example Combine film carrier with a glass fabric carrier, whereby increased mechanical strength can be achieved. Al Alternatively, the glass fabric backing can also be used with the gut thermally conductive plastic material are poured out. This will the relatively good heat-conducting glass (0.8 W / mK with E- Glass) by an equally good heat conductor Surround plastic material, which achieves efficient cooling can be.

Die Windungen können je nach Anforderung an die elektrische Maschine Rund- oder Profildrähte umfassen. Ferner können die Windungen auch aus mehreren Teilleitern aufgebaut sein. The turns can be made depending on the electrical requirements Machine include round or profile wires. Furthermore, the Windings can also be made up of several partial conductors.

Einsatzbereiche für die erfindungsgemäß isolierten Windungen und Maschinenkomponenten ergeben sich bei rotierenden elektrischen Maschinen und Transformatoren. Areas of use for the windings insulated according to the invention and machine components result from rotating electrical machines and transformers.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in den zeigen: The present invention will now be described with reference to the accompanying Drawings explained in more detail in the figures:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Isoliersystems bei einer elektrischen Maschine; und Fig. 1 is a cross sectional view of an insulating system according to the invention in an electrical machine; and

Fig. 2A eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Isoliermaterials aus glasträgergestütztem Glimmerband und Fig. 2A is a cross sectional view of an inventive insulating material of glass-mica tape and a supported

Fig. 2B eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Isoliermaterials aus foliengestütztem Glimmerband. Fig. 2B is a cross sectional view of an inventive insulating foil assisted mica tape.

Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. The following exemplary embodiments are preferred Embodiments of the present invention.

Gemäß Fig. 1 weist ein Blechpaket 1 eine Nut 2 auf. In die Nut 2 ist eine Nutauskleidung 3 eingelegt. In diese wird zunächst eine Unterschicht bestehend aus vier rechteckförmigen Teilleitern 4, die von einem Glimmerband 5 und einem darüberliegenden Deckband 6 umgeben sind, eingebracht. Die aus Kupfer gefertigten Teilleiter 4 sind jeweils mit einer Teilleiterisolation 7 umsponnen. Referring to FIG. 1, a sheet stack 1 has a slot 2. A groove lining 3 is inserted into the groove 2 . A lower layer consisting of four rectangular partial conductors 4 , which are surrounded by a mica tape 5 and an overlying tape 6 , is first introduced into this. The partial conductors 4 made of copper are each wound with partial conductor insulation 7 .

Auf diese Unterschicht wird ein Zwischenschieber 8 gelegt. Darauf wird eine identisch zur Unterschicht aufgebaute Oberschicht mit den Komponenten Teilleiter 4% Glimmerband 5', Deckband 6' und Teilleiterisolation 7' aufgebracht. An intermediate slide 8 is placed on this lower layer. An upper layer, which is constructed identically to the lower layer, is applied thereon with the components partial conductor 4% mica tape 5 ', cover tape 6 ' and partial conductor insulation 7 '.

Anschließend wird die Nutauskleidung 3 über die Oberschicht gefaltet und die Nut 2 mit einem Nutverschlussstreifen 9 verschlossen. The groove lining 3 is then folded over the top layer and the groove 2 is closed with a groove sealing strip 9 .

Die jeweiligen Isoliermaterialien 3, 5, 5', 6, 6' und 7, 7' sowie der Zwischenschieber 8 und der Nutverschlussstreifen 9sind vollständig oder teilweise aus einem Kunststoffmaterial gefertigt, dessen Wärmeleitfähigkeit mindestens 0,4 W/mK beträgt. Als derartiges Kunststoffmaterial eignet sich beispielsweise zu Folien verarbeitetes hinsichtlich Wärmeleitfähigkeit optimiertes Polyimid. In den Folien können alle organischen und anorganischen Materialien sowie Kombinationen dieser Stoffe zum Erreichen dieser verbesserten Wärmeleitfähigkeit Einsatz finden. Beispiele derartiger Materialien sind neben Polyimid Polyester, PEEK, Bornitrid, Aluminiumoxid etc. The respective insulating materials 3 , 5 , 5 ', 6 , 6 ' and 7 , 7 'as well as the intermediate slide 8 and the slot sealing strip 9 are made entirely or partially of a plastic material, the thermal conductivity of which is at least 0.4 W / mK. A suitable plastic material of this type is, for example, polyimide which has been processed into films and is optimized with regard to thermal conductivity. All organic and inorganic materials and combinations of these substances can be used in the films to achieve this improved thermal conductivity. Examples of such materials include polyimide, polyester, PEEK, boron nitride, aluminum oxide, etc.

Das Isolationsmaterial kann, wie in den Fig. 2A und 2B dargestellt ist, auch zweischichtig oder mehrschichtig aufgebaut sein. Eine Schicht stellt eine elektrische Isolationsschicht 10 dar, die beispielsweise aus einem Glimmerpapier besteht. Das aus Glimmerpulver gefertigte Glimmerpapier ist verhältnismäßig spröde, so dass es zur Verarbeitung auf einen Träger 11 aufkaschiert wird. Der Träger, der die zweite Schicht darstellt, besteht gemäß Fig. 2A aus einem Glasgewebe mit Schussfäden 12 und Kettfäden 13. Die Zwischenräume des Gewebes sind mit einem Kunststoffmaterial vergossen. Das Kunststoffmaterial 14 besitzt wiederum die erhöhte Wärmeleitfähigkeit von mindestens 0,4 W/mK. Mit diesem mechanisch stabilen Material, das eine gute Wärmeleitfähigkeit auch im Trägerbereich besitzt, wird eine verbesserte Entwärmung elektrischer Maschinen gewährleistet. In Fig. 2B besteht der Träger vollständig aus dem Kunststoffmaterial 14 und liegt in Form einer Folie vor. Die elektrische Isolationsschicht 10, z. B. das Glimmerpapier, ist auf diese Folie kaschiert. As is shown in FIGS. 2A and 2B, the insulation material can also be constructed in two or more layers. One layer represents an electrical insulation layer 10 , which consists for example of a mica paper. The mica paper made from mica powder is relatively brittle, so that it is laminated onto a carrier 11 for processing. The carrier which constitutes the second layer is, according to Fig. 2A of a glass fabric with weft threads 12 and warp threads. 13 The interstices of the fabric are potted with a plastic material. The plastic material 14 in turn has the increased thermal conductivity of at least 0.4 W / mK. This mechanically stable material, which also has good thermal conductivity in the carrier area, ensures improved cooling of electrical machines. In Fig. 2B the carrier consists entirely of the plastic material 14 and is in the form of a film before. The electrical insulation layer 10 , e.g. B. the mica paper is laminated on this film.

Alternativ kann ein Träger 11 auch mit einem Vlies oder sonstigem Papier kaschiert werden, das mit einem gut wärmeleitenden Kunststoffmaterial imprägniert ist. Erfindungsgemäß werden somit Folien, Vliese und Papiere mit schlechter Wärmeleitfähigkeit in Werkstoffverbünden durch entsprechend thermisch optimierte Kunststoffe unter Beibehaltung der notwendigen elektrischen und mechanischen Eigenschaften für die Isolation elektrischer Maschinen ersetzt oder ergänzt. Alternatively, a carrier 11 can also be laminated with a nonwoven or other paper that is impregnated with a thermally conductive plastic material. According to the invention, foils, nonwovens and papers with poor thermal conductivity in composite materials are thus replaced or supplemented by appropriately thermally optimized plastics while maintaining the necessary electrical and mechanical properties for the insulation of electrical machines.

Claims

1st turn for an electrical machine with
an electrical conductor for carrying an electrical current, and
partial conductor insulation, which is arranged on the surface of the electrical conductor, for the electrical insulation thereof,
characterized in that
the partial conductor insulation comprises a plastic material whose thermal conductivity is at least 0.4 W / mK.

2. Winding according to claim 1, wherein the partial conductor insulation comprises a carrier made of the plastic material, the Carrier carries an insulation material.

3. winding according to claim 1 or 2, wherein the Plastic material a film, e.g. B. made of polyimide, polyester and / or PEEK, includes.

4. winding according to one of claims 1 to 3, wherein the Plastic material additives with compared to the plastic material increased thermal conductivity, such as boron nitride or Alumina.

5. winding according to one of claims 1 to 4, wherein the Partial conductor insulation by wrapping the electrical conductor with a surface insulation material or spinning with a Insulation tape is realized.

6. winding according to one of claims 1 to 5, wherein the Partial conductor insulation comprises a mica layer, which by the Plastic material is worn.

7. winding according to one of claims 1 to 6, wherein the Partial insulation includes a glass support.

8. turn according to one of claims 1 to 7, the one or includes several round or profile wires, each of which Have partial conductor insulation.

9. Electric machine with
several turns to generate a magnetic field,
a laminated core arrangement with grooves, in which the windings are inserted, for guiding the magnetic field and
a main insulation for electrically isolating the respective turn or turns, which is / are introduced into each of the grooves, from the laminated core arrangement,
characterized in that
the main insulation comprises a plastic material, the thermal conductivity of which is at least 0.4 W / mK.

10. Electrical machine according to claim 9, wherein the Main insulation comprises a carrier made of the plastic material and the carrier carries an electrical insulation material.

11. Electrical machine according to claim 9 or 10, wherein the Plastic material includes polyimide, polyester and / or PEEK.

12. Electrical machine according to one of claims 9 to 11, the plastic material with additives compared to Plastic material of increased thermal conductivity includes.

13. Electrical machine according to one of claims 9 to 12, wherein the main insulation comprises a mica layer, which of the plastic material is worn.

14. Electrical machine according to one of claims 9 to 13, the plurality of turns according to any one of claims 1 to 8 includes.

15. Electrical machine according to one of claims 9 to 14, being a rotating electrical machine or a transformer.