DE19963479A1 - Wärmeaudehnungs-angepasste Isolation für Statorleiter von rotierenden elektrischen Maschinen - Google Patents
Wärmeaudehnungs-angepasste Isolation für Statorleiter von rotierenden elektrischen MaschinenInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine wärmeausdehnungsangepasste Isolation für Statorleiter von rotierenden elektrischen Maschinen. Bei dieser Isolation wird ein Leiter mit einem Thermoplasten beschichtet, wobei dem Thermoplasten ein anorganischer Füllstoff zur Senkung des Ausdehnungskoeffizienten zugemischt ist.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Isolation von elektrischen Ma
schinen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine wärmeausdeh
nungs-angepasste Isolation für Statorleiter von rotierenden elektrischen Ma
schinen.
Herkömmlich werden auf dem Gebiet der Isolation von Statorleitern von elek
trischen Maschinen verschiedene Verfahren verwendet.
Bei einem Verfahren werden Bänder bestehend aus einem Glasfaserträger
und Glimmerpapier auf einen Statorleiter lagenförmig spiralig aufgewickelt, bis
eine gewünschte Isolationsdicke erreicht ist. Durch eine anschliessende Im
prägnierung in Epoxyharz wird verbleibende Luft aus dem so entstandenen
Isolationswickel verdrängt und die Bandlagen werden verklebt. Durch Aus
härtung in einer geeigneten Form erhält die Isolation ihre Endform. Herstel
lungsbedingt sind die Glimmerplättchen bei diesem Verfahren in Bandrichtung
ausgerichtet, so dass daraus in der fertigen Isolation eine Ausrichtung der
Glimmerplättchen parallel zur Leiteroberfläche resultiert.
Gemäss eines weiteren aus der EP 0 660 336 A2 bekannten Verfahrens wer
den Statorleiter mit Bändern bestehend aus thermoplastischem Kunststoff,
gefüllt mit Glimmer, bewickelt. Eine Verfestigung und Formung erfolgt hier
durch Heisspressen des bewickelten Statorleiters, wobei es zu Luftverdrän
gung, Aufschmelzen des Thermoplasts und Verklebung der Wickellagen
kommt. Auch bei diesem Verfahren sind die Glimmerplättchen parallel zur
Leiteroberfläche ausgerichtet.
Schliesslich kann eine Isolation des Statorleiters auch durch eine Extrusion
mit Thermoplasten ohne Füllstoffe, d. h. auch ohne Glimmer, wie im US-Patent
5 650 031 beschrieben, erfolgen.
Eine wärmeausdehnungs-angepasste Isolation ist bisher lediglich auf dem
Gebiet der auch die Einkapselung von Elektronik-Bauelementen bzw. Verfah
ren, um eine möglichst geringe thermische Ausdehnung dieser Kunststoffge
häuse zu erzielen, bekannt.
Beispielsweise ist aus der JP-A-41 83 711 ist eine Herstellung einer Halblei
terkapselung basierend hauptsächlich auf Epoxidharzen und anorganischen
Füllern bekannt, wobei unter anderem auch Quarzglas verwendet wird. Vor
teile dieser Halbleiterkapselung sind Schockresistenz und geringe Rissgefahr
bei thermischer Belastung, wie beispielsweise Löten, da ein geringer oder
kein Unterschied in der thermischen Ausdehnung zwischen Halbleiterbauteil
und einem Plastikgehäuse der Halbleiterkapselung vorliegt. Dies wird durch
eine Verringerung des Ausdehnungskoeffizienten des Polymers durch Zumi
schen von anorganischen Füllstoffen mit niedrigen Ausdehnungskoeffizienten
erreicht. Ähnliche Herstellungen einer Halbleiterkapselung, bei denen zusätz
lich Polyester, Polyimid, Polyphenol, Silikonharz, usw. verwendet werden,
sind auch aus der JP-A-61 026 249, der JP-A-59 168 043 und der
JP-A-59 084 937 bekannt. Als Füller wird dabei ausschliesslich gerundetes Quarzglas
verwendet.
Zudem offenbaren die JP-A-7 011 105, die JP-A-5 132 609 und die
JP-A-61 188 465 weitere Herstellungsverfahren für eine Halbleiterkapselung, wobei
zusätzlich ein thermoplastischer Weichmacher im Prozentbereich hinzugege
ben wird. Die JP-A-60 084 361 beschreibt weiterhin, wie durch Kombination
von gerundeten Quarzglaskörnern mit Füllstoffen hoher Wärmeleitung (Al2O3
oder BN) sowohl der Ausdehnungskoeffizient als auch die Wärmeleitfähigkeit
von Kunstharzen optimiert werden kann. Dabei werden Epoxydharz und Phe
nolharz fälschlicherweise als Thermoplaste bezeichnet.
Schliesslich offenbaren die UK-A-2 244 174, die JP-A-7 118 542, die
JP-A-1 248 546 und die JP-A-62 158 754 Mischungen von Polymeren mit Quarz
glasfüllstoff für die Einkapselung elektronischer Bauteile, wobei die Polymere
ausschliesslich Thermoplaste sind. Als Thermoplaste werden genannt: Poly
phenylensulfid (PPS), Polybuthylenterephtalat (PBT) und Flüssigkristall-
Polymere. Bei der UK-A-2 244 174 sind die Füllstoffpartikel zudem mit einem
Elastomer zu Flexibilisierung überzogen, während die JP-A-62 158 754 als
zweiten Füllstoff ein Material mit faseriger Beschaffenheit zur Verbesserung
der mechanischen Eigenschaften verwendet.
Nunmehr sind die zu isolierenden Leiter von rotierenden elektrischen Maschi
nen meist recht komplex geformte Gebilde in der Form von Stäben oder Spu
len. Ein gerader Teil der Leiter befindet sich in den Nuten des Stators der Ma
schine. Ein gebogener Teil bildet nach entsprechender Verbindung mit be
nachbarten Stäben und Spulen einen Wickelkopf, welcher an beiden Enden
aus dem Stator herausragt. Die Länge des geraden Teils kann bei grossen
rotierenden Maschinen 6 m überschreiten. Problematisch ist bisher, dass Iso
lation und Leiter überlicherweise unterschiedliche thermische Ausdehnungs
koeffizienten α aufweisen.
Der Ausdehnungskoeffizient eines Kupferleiters beträgt α = 16.5 ppm/K, der
von Glasgewebe/Glimmer/Epoxy-Isolation in Richtung des Glasgewebes α ≈
10 ppm/K; es resultiert also ein Unterschied im Ausdehnungskoeffizienten Δα
= 6,5 ppm/K. Bei Maschinen kleiner Abmessungen führt die thermische Zy
klierung, welche bei Betrieb der Maschine immer auftritt, "nur" zu Spannungen
in der Isolation. Bei grösseren Maschinen jedoch können sich Spannungen
derart summieren, dass es zu einer Lösung der Haftung zwischen Leiter und
Isolation kommen kann. Dadurch können bevorzugt am Übergang zwischen
geradem und gebogenem Teil des Leiters Hohlräume auftreten, in denen bei
Betrieb elektrische Entladungen stattfinden. Derartigen Entladungen sind be
kannt als Schädigungsmechanismus der Isolation.
Bei Isolierungen bestehend aus reinem Thermoplast, wie beispielsweise im
US-Patent 5 660 031 beschrieben werden, sind diese Effekte noch wesentlich
stärker: Zum einen weicht der Ausdehnungskoeffizient von Thermoplasten
noch deutlich mehr von dem des Kupfers ab als bei der Glasgewe
be/Glimmer/Epoxy-Isolation, wie in Tabelle 1 für gängige Thermoplaste ange
geben (aus dem Katalog der Fa. LNP Engeneering Plastics, Niederlande).
Zum anderen ist die Auswirkung dieser Fehlanpassung bei einer Isolation von
Leitern von rotierenden Maschinen wesentlich gefährlicher: Die Langzeit-
Resistenz der Isolation gegenüber inneren elektrischen Entladungen ist in rei
nen Polymeren bedeutend schlechter als in glimmergefüllten. Hinzu kommt,
dass neben einer Hohlraumbildung an der Grenzfläche Leiter-Isolation zu
befürchten ist, dass die unverstärkte Isolation beim Abkühlen Schrumpfungs
risse in radialer Richtung bekommt, wodurch sie sofort unbrauchbar wird.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Isolation für Statorleiter
von rotierenden elektrischen Maschinen derart weiterzubilden, dass die vor
stehend beschriebenen Probleme bei der Verwendung von Thermoplasten
nicht mehr auftreten, d. h. der Ausdehnungskoeffizient des Thermoplastmate
rials soll derart abgeändert werden, dass die Fehlanpassung im Ausdeh
nungskoeffizienten möglichst klein wird.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe gelöst durch die im Anspruch 1 ange
gebenen Merkmale. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildun
gen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Dadurch wird eine wärmeausdehnungs-angepasste Isolation für Statorleiter
verwirklicht, bei der es weder zu Hohlraumbildung an der Grenzfläche Leiter-
Isolation noch zu Schrumpfungsrissen kommt. Zudem können die Herstel
lungskosten durch Massenproduktion und Zeitersparnis gesenkt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsformen näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 den Verlauf des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) in Abhängig
keit vom Füllgrad an Alkaliglas und
Fig. 2 den Temperaturverlauf des thermischen Ausdehnungskoeffizienten für
gefülltes Polyethersulphon.
Thermoplastische Werkstoffe besitzen gegenüber der herkömmlich für die
Isolation verwendeten Werkstoffkombination Glasgewebe/Glimmer/Epoxy
grosse Vorteile in der Fertigungstechnik. Ausserdem ist der herkömmliche
Wickel- und Imprägnierprozess für Leiter von rotierenden elektrischen Ma
schinen verglichen mit modernen Thermoplastfertigungsverfahren wie Extru
sion, Spritzgiessen oder Pulverbeschichten sehr zeitaufwendig.
Daher ist die vorliegende Erfindung darauf gerichtet, anstelle der herkömmli
chen Werkstoffkombination zum Isolieren von Leitern thermoplastische Werk
stoffe zu verwenden.
Hierfür kommen zunächst prinzipiell alle Thermoplaste in Frage, die den An
forderungen an die Temperaturbeanspruchung in rotierenden elektrischen
Maschinen genügen, die alle mindestens die Anforderungen von Klasse F
(Tmax = 155°) erfüllen. Diese sogenannten Hochtemperaturthermoplaste sind
jedoch recht spröde. Ausserdem ist es nachteilig, dass die thermischen Aus
dehnungskoeffizienten von Thermoplasten deutlich höher als der von Kupfer
(Cu) mit α = 16.5 ppm/K. Sprödigkeit und Fehlanpassung der Ausdehnungs
koeffizienten führen bei Temperaturwechsel zu mechanischen Differenzspan
nungen zwischen Leiter und Isolation, wodurch es zu Rissen in der Isolation
oder zu Hohlraumbildungen zwischen Leiter und Isolation kommen kann.
Daher war es Ziel der vorliegenden Erfindung, den Ausdehnungskoeffizienten
des Thermoplastmaterials durch Zugabe von Füllstoffen in geeigneter Art und
Konzentration derart abzuändern, dass die Fehlanpassung im Ausdehnungs
koeffizienten α zwischen Isolation und Leiter möglichst klein wird, vorzugs
weise weniger als halb so viel wie beim derzeit verwendeten System Mica
dur/Kupfer, d. h. weniger als 3-4 ppm/K.
Zudem sollte diese Abänderung des Ausdehnungskoeffizienten universell an
wendbar sein. Im herkömmlichen Verfahren, wie in der EP 0 660 336 A2 of
fenbart, wird der Ausdehnungskoeffizient parallel zur Staboberfläche bei guter
Ausrichtung der Glimmerplättchen zwar auf die geforderten Werte reduziert,
bei schlechter oder willkürlicher Ausrichtung jedoch nicht. Fertigungsverfah
ren, welche nicht zwangsläufig zu einer Plättchenorientierung führen, werden
daher bei einer Verwendung von Thermoplast/Glimmer-Mischungen nicht die
erforderlichen α-Werte erreichen. Mit den herkömmlichen Verfahren lässt sich
diese Ausrichtung normalerweise gar nicht, bestenfalls nur mit erheblichem
konstruktiven Aufwand erreichen. Glimmerzugabe scheidet somit als generell
anwendbare Lösung aus.
Somit war das Problem der Anpassung von Ausdehnungskoeffizienten zwi
schen Metallen und Kunststoffen, das auch auf anderen technischen Gebie
ten auftritt, wie z. B. dem vorstehend erläuterten Gebiet des Einkapselns von
Halbleiter-Bauelementen, zu lösen.
Da es prinzipiell nicht möglich ist, den Ausdehnungskoeffizienten von Kupfer
(Cu) in geeignetem Masse zu erhöhen, war des Ziel, den Ausdehnungskoeffi
zienten des Polymers zu verringern. Dies geschieht am einfachsten durch
Beimischen von anorganischen Füllstoffen. Eine Auswahl gängiger Füllstoffe
und ihrer Ausdehnungskoeffizienten gibt Tabelle 2 (Y.S. Touloukian, "Ther
mophysical Properties of Matter", Vol. 13, Plenum Press, New York-Chicago).
Die bei weitem üblichsten Füllstoffe sind Quarz und Alkaliglas. Eine Mi
schungsreihe Polysulfon oder Polyethersulfon mit Glas ergab, dass das Ziel
16.5 ppm/K nicht mit Füllgraden erreichbar ist, welche mit konventionellen
Thermoplastverarbeitungsmethoden (Extrusion, Spritzgiessen) problemlos
verarbeitbar sind, d. h. maximal ca. 60% w/w Füllstoff. Höhere Füllgrade wür
den auch die mechanischen Eigenschaften unzulässig beeinflussen (Sprödig
keit). Bei der Beschichtung eines Kupferstabes mit PSU/30% Glasfaserfüllung
(α = 42 ppm/K) mittels thermischen Spritzens wurden radiale Risse beobach
tet, was zeigt, dass ein Thermoplast mit diesem Ausdehnungskoeffizienten
ungeeignet ist für Isolationsauftrag auf Stäbe. Für Quarz und Aluminiumoxid
(α etwa ähnlich wie Alkaliglas) mit Füllgraden ≦ 60% ist das Ziel ebenfalls nicht
erreichbar. Somit ergibt sich, dass lediglich die prinzipielle Idee einer Verwen
dung von anorganischen Füllstoffen verwendbar ist.
Es ergab sich aus entsprechenden Versuchen, dass eine Füllung von Polye
thersulphon mit Quarzglas oder Wollastonit das gewünschte Ziel erreicht. Wie
in Fig. 2 dargestellt, sinkt bei einer derartigen Füllung von Polyethersulphon
mit Quarzglas oder Wollastonit der Ausdehnungskoeffizient in den entspre
chenden 60% Mischungen auf ≦ 19 ppm/K für T < 100°C.
Fig. 1 ist eine Darstellung des Verlaufs des Wärmeausdehnungskoeffizienten
(CTE) in Abhängigkeit von dem Füllgrad an Alkaliglas (Gewicht%). In dieser
Darstellung stellt die obere Kurve den Verlauf für PSU (Polysulfon) und die
untere Kurve den Verlauf für PES (Polyethersulfon) dar. Der niedriger Ge
samtwert des Wärmeausdehnungskoeffizienten bei Verwendung von Polye
thersulfon bei gleichem Prozentsatz an Füller rührt von dem niedrigeren
Wärmeausdehnungskoeffizienten der Polymermatrix her (PES: 55 ppm/K;
PSU: 59 ppm/K). Durch lineare Extrapolation zu höheren Füllgraden wird er
sichtlich, dass der Zielwert von 17 bis 20 ppm/K für den Wäremeausdeh
nungskoeffizienten des Gesamtisolation erst bei Füllgraden jenseits 70% er
reichbar wäre. Derartige Füllgrade sind technisch sehr schwierig zu realisie
ren, da die Polymerschmelze oberhalb ca. 65% Füllung mit Fasern einen
drastischen Viskositätsanstieg aufweist (was bedeutet, dass die Verarbeitung
unmöglich wird). Zudem steigt die Sprödigkeit stark an.
Weiterhin zeigt Fig. 2 den Temperaturverlauf des thermischen Ausdehnungs
koeffizienten (CTE) für gefülltes PES (Polyethersulfon) mit einem Füllgrad von
60% w/w. Es sind die Verläufe sowohl für Wollastonit als auch für Quarzglas
als Füllstoff dargestellt. Infolge der niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizien
ten-Werte dieser Füller ist der gewünschte Gesamt-
Wärmeausdehnungskoeffizient ≦ 60% erreichbar.
Claims (5)
1. Wärmeausdehnungs-angepasste Isolation für Kupfer-Leiter von rotieren
den elektrischen Maschinen, gekennzeichnet durch
einen Thermoplasten zur Beschichtung eines Leiters, wobei dem Ther
moplasten ein anorganischer Füllstoff zur Senkung des Ausdehnungs
koeffizienten zugemischt ist.
2. Isolation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Thermoplast Polyethersulfon (PES) ist.
3. Isolation nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
der anorganische Füllstoff Wollastonit oder Quarzglas ist.
4. Isolation nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
der Füllgrad 50 bis 70% beträgt.
5. Isolation nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
der Ausdehnungskoeffizient (α) der Isolierung für eine Temperatur <
100°C um weniger oder gleich 3 ppm/K vom Ausdehnungskoeffizienten
von Kupfer abweicht.
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