DE19963491A1

DE19963491A1 - Verfahren zur Herstellung einer hochwertigen Isolierung von elektrischen Leitern oder Leiterbündeln rotierender elektrischer Maschinen mittels Sprühsintern

Info

Publication number: DE19963491A1
Application number: DE19963491A
Authority: DE
Inventors: Thomas Baumann; Johann Nienburg; Joerg Sopka
Original assignee: Alstom Power Schweiz AG
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 1999-12-28
Publication date: 2001-07-05
Also published as: EP1243063A1; US7052569B2; EP1243063B1; RU2002120490A; JP2003518906A; CN100350724C; KR20020077372A; DE50012326D1; US20030113441A1; WO2001048895A1; CN1437786A; ATE319215T1; CZ20022238A3; AU1980101A

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer hochwertigen Isolierung von Leitern oder Leiterbündeln elektrischer Maschinen mittels Sprühsintern. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist es möglich, Innenglimmschutz, Isolierung und Außenglimmschutz auf Leitern oder Leiterbündeln aufzubringen, bei denen aufgrund eines sehr geringen Fehlstellengehaltes der Isolierung und ihrer härenten Resistenz gegen Teilentladungen auf die Verwendung von Wickelverfahren mit Glas/Glimmerbändern verzichtet werden kann. Dadurch entfällt die Verwendung aufwendiger Spezialgeräte und es werden wesentliche Verkürzungen bei den Durchlaufzeiten möglich.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Isolierung von rotierenden elek trischen Maschinen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Her stellung einer hochwertigen Isolierung von Leitern oder Leiterbündeln, wie sie bei rotierenden Maschinen z. B. in Form von Statorspulen, Roebelstäben und Erregerleitern Verwendung finden.

Stand der Technik

Herkömmlich werden auf dem Gebiet der Isolierung von Leitern oder Leiter bündeln von rotierenden elektrischen Maschinen verschiedene Verfahren ver wendet.

Bei einem Verfahren werden Bänder bestehend aus einem Glasfaserträger und Glimmerpapier auf einen Statorleiter lagenförmig spiralig aufgewickelt, bis eine gewünschte Isolierdicke erreicht ist. Durch eine anschliessende Imprä gnierung in Epoxyharz wird verbleibende Luft aus dem so entstandenen Iso lierwickel verdrängt und die Bandlagen werden verklebt. Durch Aushärtung in einer geeigneten Form erhält die Isolierung ihre Endform. Herstellungsbedingt sind die Glimmerplättchen bei diesem Verfahren in Bandrichtung ausgerichtet, so dass daraus in der fertigen Isolierung eine Ausrichtung der Glimmerplätt chen parallel zur Leiteroberfläche resultiert. Bei der sogenannten "Resin rich"- Technik ist dem Band Epoxyharz im B-Zustand beigemischt, welches durch Heisspressen des Stabes verfestigt wird.

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 Thermoplastes und Verklebung der Wickellagen kommt. Auch bei diesem Verfahren sind die Glimmerplättchen parallel zur Leiteroberfläche ausgerichtet. Bei keinem der Verfahren erfolgt jedoch ein vollständiges Auspressen der Luft. Es bleiben luftgefüllte Spalten und Löcher übrig, in denen es bei Spannungsbelastung zu Teilentladungen im Bereich von nC und darüber kommt.

Schliesslich kann eine Isolierung des Statorleiters auch durch eine Extrusion mit Thermoplasten ohne Füllstoffe, d. h. auch ohne Glimmer, wie im US-Patent Nr. 5 650 031 beschrieben, erfolgen.

Nunmehr sind die zu isolierenden Leiter von rotierenden elektrischen Maschi nen jedoch meist recht komplex geformte Gebilde in der Form von Stäben oder Spulen. Ein gerader Teil der Leiter befindet sich in den Nuten des Sta tors der Maschine. Dabei bildet ein gebogener Teil der Leiter nach entspre chender Verbindung mit benachbarten Stäben und Spulen einen Wickelkopf, der an beiden Enden aus dem Stator herausragt. Die Länge des geraden Teils kann hierbei bei grossen rotierenden Maschinen 6 m überschreiten. Pro blematisch ist bisher, dass Isolierung und Leiter üblicherweise unterschiedli che thermische Ausdehnungskoeffizienten α aufweisen, die im Laufe der Zeit aufgrund von thermischen Spannungen zu Fehlstellen in der Isolierung durch Ablösungen der Isolierung entstehende Hohlräume führen können, und dass bei der Herstellung der Isolierung Fehlstellen, beispielsweise Lufteinschlüsse, entstehen. An derartigen Fehlstellen kann es zu Teilentladungen kommen, die zu einer Schädigung der Isolierung führen. Auch hierbei sind Teilentladungs aktivitäten im 100 nC-Bereich durchaus üblich.

Ein sicherer Betrieb der Maschinenisolierung ist angesichts dieser Teilentla dungsaktivitäten bisher nur durch die Barrierewirkung von senkrecht zur Feld richtung orientieren Glimmerplättchen möglich. Dadurch wird eine Ausbildung von Durchschlagskanälen aus den Hohlräumen heraus verhindert. Als Ober grenze der dauerhaft zulässigen Betriebsfeldstärke wird dabei allgemein 2,5 bis 2,75 kV/mm angesehen. Ein derartiger Maximalwert wird jedoch von ande ren Isoliersystemen der Mittel- bzw. Hochspannungsisolierung zum Teil deut lich übertroffen.

So beträgt beispielsweise das Maximalfeld für einen Dauerbetrieb in Stütz isolatoren, bei denen ein Aluminiumoxid-gefülltes Epoxydharz für gasisolierte Schaltungen verwendet wird, 4 kV/mm und dasjenige für Hochspannungska bel, bei denen Polyäthylen verwendet wird, ca. 12 kV/mm. Diesen herkömmli chen Isoliersystemen ist gemeinsam, dass sie unter Betriebsbelastung keine Teilentladung entwickeln.

Da die derzeit verwendeten herkömmlichen Verfahren und Materialien unter Verwendung von Glimmer zu den im wesentlichen jedoch bereits mehr als 30 Jahre alt ist, sind durch eine Weiterentwicklung dieses Standes der Technik höchstens inkrementelle Verbesserungen zu erwarten. Daher erscheint es kaum möglich, durch Weiterentwicklungen dieses Standes der Technik eine höherwertige Isolierung zu entwickeln, die mit niedrigeren Durchlaufzeiten und geringeren Fertigungskosten im Vergleich zum Stand der Technik, sowie um weltschonend, d. h. ohne Lösungsmittel, ohne Emissionen und ohne eine Er zeugung von Sondermüll hergestellt werden kann und keine Fehlstellen ent hält bzw. bei Fehlstellen zu keinen Teilentladungen führen.

Darstellung der Erfindung

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstel lung einer hochwertigen Isolierung von Leitern oder Leiterbündeln zu schaf fen, bei dem die Isolierung eine hohe Qualität aufweist und mit geringen Durchlaufzeiten und geringen Fertigungskosten sowie umweltschonend her stellbar ist.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch das Verfahren zur Herstellung einer hochwertigen Isolierung von Leitern oder Leiterbündeln mit den Merk malen des Patentanspruchs 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteil hafte Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

Durch dieses erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung einer hochwerti gen Isolierung von Leitern oder Leiterbündeln ohne Hohlräume, die unter Prüf- und Betriebsbelastungen zur Teilentladungen führen können, werden die ausgerichteten Glimmerplättchen nicht mehr benötigt. Dadurch wird so wohl die Wahl der Herstellungsverfahren als auch die Wahl der Materialien für die Isolierung sehr erleichtert, da das Einarbeiten von Glimmer in Konzentra tionen von mehr als 40 Gewichtsprozent bei vielen Polymeren problematisch ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Aufbau der erfindungsgemässen Sprühsintereinrichtung und

Fig. 2 (Fig. 2-1 und Fig. 2-2) ein Ablaufdiagramm, das die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens veranschaulicht.

Weg(e) zur Ausführung der Erfindung

Im folgenden wird nun ein Verfahren zur Herstellung einer hochwertigen Iso lierung für Leiter oder Leiterbündel beispielsweise von rotierenden elektri schen Maschinen ausführlich beschrieben. Zuerst wird dabei auf den grund sätzlichen Aufbau der Isolierung eingegangen und anschliessend das erfin dungsgemässe Verfahren genau erläutert.

Die mit dem erfindungsgemässen Verfahren aufgebrachte Isolierung besteht aus drei Schichten. Die erste Schicht bildet einen Innenglimmschutz, beste hend aus leitfähig oder halbleitfähig gefülltem Polymer. Hierbei wird ein Poly mer verwendet, das sich gut mit dem Polymerwerkstoff der darüber folgenden Isolierschicht verbindet. Vorzugsweise wird dasselbe Polymer verwendet, wie in der Isolierschicht.

Der Innenglimmschutz hat - wie bei Hochspannungskabeln - die Aufgabe, elektrische und mechanische Grenzschichten zu entkoppeln. Elektrisch weist der Innenglimmschutz dasselbe Potential wie der darunterliegende metalli sche Leiter auf, ist also Teil des elektrischen Leiters; mechanisch ist er hinge gen Teil der Isolierung. Dadurch ist gewährleistet, dass etwaige Ablösungen zwischen Isolierhülse und Leiter teilentladungsfrei sind, da über die Ablösung keine Spannung abfällt.

Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung dieser hochwertigen Isolie rung für Leiter oder Leiterbündel soll die folgenden Anforderungen erfüllen:

1. Das Herstellungsverfahren soll weitgehend unabhängig von der jeweiligen Geometrie des Grünstabes bzw. der Grünspule, d. h. des verroebelten, nichtisolierten, verfestigten Stabes oder der Spule, sein.
2. Dabei soll die Isolierung hochwertig sein, d. h. gegenüber dem Stand der Technik eine bessere thermische Festigkeit bis ca. T_max = 180°C aufwei sen und einen Dauerbetrieb von ca. 5 kV/mm auf den Flachseiten der Leiter schadlos überstehen.
3. Darüber hinaus soll das Verfahren die Herstellung einer Isolierung kon stanter Dicke mit einer Toleranz Δd/d < 10% - auch wenn die Toleranzen des Grünstabes bzw. der Grünspule deutlich grösser sind - ermöglichen, wobei Schichtdicken von 0,3 bis 7 mm herstellbar sein sollen.
4. Zur Verkürzung der Herstellungszeit soll die Durchlaufzeit pro Stab bzw. Spule maximal 1 bis 2 Stunden betragen.

Aufgrund dieser durch das erfindungsgemässe Verfahren zu erfüllenden An forderungen könnte man erwägen, herkömmliche Sprühsinter-Verfahren als Ausgangspunkt zu verwenden.

Ein derartiges herkömmliches Sprühsinter-Verfahren ist beispielsweise im deutschen Patent DE 39 36 431 mit dem Titel "Verfahren zum Aufbringen ei ner Kunststoffschicht auf einen metallischen Leiter" beschrieben. Bei diesem herkömmlichen Verfahren wird zum Aufbringen einer Kunststoffschicht auf ei nen metallischen Leiter Kunststoffpulver elektrostatisch aufgeladen, auf den vorgewärmten metallischen Leiter abgeschieden und dort zum Schmelzen gebracht. Das Verfahren wird für die Herstellung von Teilleiterisolierungen, d. h. Isolierungen mit geringer Spannungsbeanspruchung angewendet. Dieses herkömmliche Sprühsinter-Verfahren würde einen wesentlich geringeren Auf wand an Fertigungstechnologie als das herkömmliche Isolierverfahren unter Verwendung einer Umwicklung mit verschiedensten Bändern erfordern. Damit könnte auf die Verwendung teuerer Spezialgeräte, wie beispielsweise von Wickelrobotern, Vakuum-Druck-Behältern, Einrichtungen zur gekühlten Flüs sigharz-Speicherung, wegfallen. Sie würden durch handelsübliche Beschich tungsgeräte und handelsübliche Roboter ersetzt.

Auch wären dieses herkömmliche Sprühsinter-Verfahren in weitaus grösse rem Masse automatisierbar als das herkömmliche Verfahren. Die Durchlauf zeiten würden anstatt mehrerer Tage nur noch 0,5 bis 3 Stunden betragen. Die Einsparung an Investitionsgütern würde dazu führen, dass sowohl niedri ger Durchlaufzeiten als auch niedriger Herstellungskosten erreicht werden könnten.

Als problematisch erweist sich jedoch, dass herkömmlich die Technik des Sprühsinterns bzw. des elektrostatischen Sprühens derzeit meist nur zum Zweck der Trockenlackierung der verschiedensten Bauteile, beispielsweise von Kühlschränken, Autos, Gartenmöbeln, etc. mit sehr geringen Schichtdic ken von ca. 80 µm eingesetzt wird. Auf dem Gebiet der Elektrotechnik findet diese Technik bisher lediglich bei der Isolierung von Sammelschienen im Mit tel- und Hochspannungsbereich Anwendung. Wie vorstehend bereits erwähnt dient die oben angeführte Isolierung jedoch lediglich zur Isolierung von Teil leitern, bei denen nur geringe Potentialunterschiede auftreten.

Bei dieser herkömmlichen Anwendung auf dem Gebiet der Isoliertechnik für Sammelschienen wird jedoch im Gegensatz zu der durch das erfindungsge mässe Verfahren herzustellenden hochwertigen Isolierung die Isolierung elektrisch nur schwach belastet, da die Erdelektrode auf der Isolierung fehlt und somit die Spannung grösstenteils über die umgebende Luft abgebaut wird. Wegen der daher wesentlich geringeren elektrischen Belastung beste hen hinsichtlich Isolierdicke und Fehlerfreiheit im Stand der Technik wesent lich geringere Anforderungen als bei dem erfindungsgemässen Verfahren und daher sind dort Fehlstellen akzeptabel, da keine Teilentladungen drohen. Üb licherweise wird ein Pulver auf Epoxidharzbasis verwendet, das in der derzei tigen Zusammensetzung jedoch aufgrund hoher dielektrischer Verluste nicht oberhalb von T = 130° einsetzbar ist. Zudem zeigen Probebeschichtungen mit diesem Pulver massenhaft Poren.

Daher sind im Vergleich zum bekannten Stand der Technik des Sprühsinterns beim erfindungsgemässen Verfahren zur Herstellung einer hochwertigen Iso lierung von Leitern bzw. Leiterbündeln zahlreiche Modifikationen erforderlich, um bisher unberücksichtigte Probleme zu lösen bzw. für dieses Verfahren bei der herkömmlichen Anwendung vorteilhafte Eigenschaften, die jedoch bei der Erreichung der erfindungsgemässen Ziele hinderlich sind, zu beseitigen.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Ver fahrens schematisch gezeigt; der Einfachheit halber sind einige Elemente in Fig. 1 nicht gezeigt, sondern nur genau beschrieben.

Das zentrale Gerät zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist eine Sprühpistole 1. Dieser Sprühpistole 1 wird Beschichtungsmaterial 2 in pulverisierter Form, beispielsweise thermisch vernetzendes Epoxypulver, aus einem Vorratsbehälter 6 in fluidisierter Form zugeführt. Das Fluidisierungsme dium ist hierbei bevorzugt getrocknete Luft oder Stickstoff. Die Sprühpistole 1 kann eine Einrichtung 3 zur elektrostatischen, d. h. negativen, oder triboelektri schen, d. h. positiven, Aufladung des Beschichtungsmaterials 2, also der Pul verteilchen aufweisen.

Eine elektrische Aufladung des Beschichtungsmaterials 2 ist jedoch für das erfindungsgemässe Verfahren nicht zwingend notwendig. Sie besitzt aber den Vorteil, dass an Spitzen und Kanten eines zu isolierenden Leiters aufgrund der lokalen Überhöhung des elektrischen Feldes ein erhöhter Materialauftrag stattfindet. Dieser lässt sich durch Einstellen der Hochspannung an der Ein richtung 3 beeinflussen. Dies ist häufig erwünscht, da an diesen Stellen auch im Betrieb die Feldstärke überhöht ist und erfahrungsgemäss Isolierungen be vorzugt dort durchbrechen.

Bei dem erfindungsgemässen Verfahren wird die Sprühpistole 1 mit konstan tem Abstand, beispielsweise ca. 100 bis 300 mm, konstanter Geschwindig keit, beispielsweise ca. 50 bis 800 mm/s, und konstantem Pulverausstoss, beispielsweise ca. 30 bis 250 g/min. an einem zu beschichtenden erwärmten Substrat 4, beispielsweise einem zu beschichtenden Leiter vorbeigeführt. Die Führung der Sprühpistole 1 erfolgt dabei bevorzugterweise mittels einer auto matischen Verfahreinheit, z. B. eines Roboters. Das Substrat wird während des gesamten Beschichtungsprozesses geheizt. Dies ist, da es sich im vorlie genden Beispiel im elektrische Leiter handelt, einfach durch elektrische Hei zung zu bewerkstelligen. Die Heizung des Substrats 4 kann nämlich entweder durch Ohmsches Heizen durch Gleichstrom oder Niederfrequenz, z. B. bei 50 Hz, oder durch induktives Heizen durch Mittelfrequenz oder Hochfrequenz erfolgen. Dazu ist beispielsweise eine Stromquelle 5 ausgebildet. Die Tempe ratur der zu beschichtenden Substratoberfläche 4a wird dabei so gewählt, dass das Beschichtungsmaterial 2, beispielsweise das Epoxypulver, beim Auftreffen darauf aufschmilzt und anschliessend thermisch vernetzt, d. h. här tet.

Neben der hier beschriebenen Heizung während der Beschichtung sind auch Methoden denkbar, bei denen das zu beschichtende Objekt vorgewärmt wird (beispielsweise in einem separaten Ofen) und dann auf die Beschichtungs anlage gebracht wird. Aufgrund der hohen Wärmekapazität des Kupfers ist es nun möglich, den Stab bzw. die Spule mit mindestens einem Teil der gesamt haft notwendigen Isolierdicke zu beschichten. Sinkt die Oberflächentempera tur so tief ab, dass das Pulver nicht mehr zu einem glänzenden Film auf schmilzt, sondern als sandartiger Belag kleben bleibt, ist eine erneute Wär mezufuhr notwendig. Ein qualitativer Unterschied der fertigen Isolierung zwi schen ständigem Heizen während des Beschichtens und abwechselnden Heiz- und Beschichtungszyklen besteht nicht. Sinnvoll ist die Anwendung des Zwischenheizens im Ofen dann, wenn bei Objekten mit sehr grossem Cu- Querschnitt eine resistive Heizung (wegen Schwierigkeiten bei der Stromein führung; Kontaktwiderstand) oder induktive Heizung (HF-Quellen im 15 bis 10 kA-Bereich sind teuer und müssen kostenaufwendig abgeschirmt werden) schwierig zu realisieren ist.

In einer vorteilhaften Ausführung besteht der "Ofen" aus einer Anlage von IR- Strahlern, welcher über das auf der Beschichtungsanlage montierte Objekt gezogen bzw. gefahren bzw. gestülpt wird.

Die Beschichtung erfolgt beim erfindungsgemässe Verfahren lagenweise, bis die Solldicke der Isolierung erreicht ist, im Unterschied zum Stand der Tech nik, in dem die Beschichtung in einem einzelnen Durchgang erfolgt. Eine Lage bei diesem Verfahren entspricht der Isolierschicht, die durch einen Sprüh durchgang erzielt wird. Nach einem Sprühdurchgang muss hierbei dem Be schichtungsmaterial genügend Zeit gegeben werden, um aufzuschmelzen, zu verlaufen und soweit zu vernetzen, dass es nicht mehr fliesst. Daher ist die im folgenden noch zu erläuternde Gelzeit sehr wichtig.

Prinzipiell ist es durchaus möglich, mit einem Sprühdurchgang Lagen von 1 mm Dicke und mehr aufzubauen. Untersuchungen haben jedoch ergeben, dass bei Lagendicken grösser als 0,2 mm die Anzahl von Blasen, d. h. Fehl stellen, in der Isolierung deutlich ansteigt, die jedoch bisher im Anwendungs bereich der Technik des Sprühsinterns keinerlei Problem darstellten. Der Grund für die Blasenbildung bei Lagendicken < 0,2 mm besteht darin, dass adsorbierte Stoffe und Verunreinigungen mit niedrigem Dampfdruck bei höhe ren Lagendicken nicht mehr die Möglichkeit haben, frei abzudampfen. Diese Blasenbildung verursachte bei den herkömmlichen Anwendungen wenig Pro bleme, stellt jedoch für die erfindungsgemässe Isolierung einen Nachteil dar, der gerade durch das erfindungsgemässe Verfahren vermieden werden soll. Daher wird bei dem erfindungsgemässen Verfahren die Isolierung in aufein anderfolgenden Schritten in Lagendicken von bis zu 0,2 mm aufgebracht, so dass die gewünschte Freiheit von Fehlstellen erzielt werden kann.

Durch die vorstehend bereits erwähnte Konstanz in Sprühabstand, Sprühpi stolen-Bewegungsgeschwindigkeit und Beschichtungsmaterial- bzw. Pulver ausstoss wird eine Dickenkonstanz von besser als 0,08 mm bei Gesamtdic ken von ca. 1 mm erzielt. Da die Geschwindigkeit sehr einfach und kontrolliert änderbar ist, ist das erfindungsgemässe Verfahren in der Lage, lokal die Dic ke der Isolierung zu ändern. So ist es beispielsweise möglich, die Isolierdicke auf den Schmalseiten des Roebelstabes gegenüber den Dicken auf den Breitseiten zu erhöhen, was zu einer Verringerung der elektrischen Feldstärke führt, ohne dass die Nutbreite erhöht werden muss oder die Wärmeabfuhr aus dem Stab, die über die Breitseiten erfolgt, zu behindern.

Weiterhin ist es mit dem erfindungsgemässen Verfahren auch möglich, im Bügelbereich von Roebelstäben, in dem die elektrische Feldbelastung gene rell niedriger ist als im geraden Teil, die Isolierdicke zu verringern. Auch be züglich Feldabsteuerung ergeben sich durch axiale Variation der Dicke oder Zusammensetzung von leitenden oder halbleitenden Schichten Möglichkeiten, die mit dem herkömmlichen System nicht oder nur schwer realisierbar sind.

Falls die oben erwähnte Dickentoleranz nicht genügt oder eine komplizierte Schichtdickenverteilung erwünscht ist, kann zusätzlich durch berührungslose Messung der aktuellen Schichtdicke an einem gegebenen Ort x, y, z mittels In frarot und durch eine geeignete Rückmeldung an das Steuersystem des Ro boters die Fahrgeschwindigkeit der Sprühpistole derart angepasst werden, dass die endgültige Dicke am Ort x, y, z dem Sollwert entspricht.

Als Materialien für die Isolierung sind prinzipiell alle thermisch vernetzbaren Kunststoffe, sogenannte Thermosets einsetzbar. Die bei der vorliegenden Anwendung geforderte thermische Eignung der Isolierung bis 180°C wird am besten durch Epoxyde erfüllt. Diese Materialien bestehen aus einer Mischung aus mindestens einem nichtvernetzten Harz und mindestens einem Härter (plus einige weitere Zusätze wie Beschleuniger, Pigmente usw.) sowie aus anorganischen Füllstoffen. Die Mischung ist bis mindestens 50°C fest. Je nach chemischer Zusammensetzung von Harz und Härter variieren Schmelz- und Härtungstemperaturen sowie die Glasübergangstemperatur T_g. Der Tem peraturverlauf der mechanischen und dielektrischen Festigkeit ist eng mit der Glasübergangstemperatur T_g verknüpft. Wird eine Einsetzbarkeit der Isolie rung bei Wärmeklasse H gewünscht, sollte T_g in diesem Bereich liegen, be vorzugt zwischen 150°C und 200°C. Glasübergangstemperaturen deutlich höher als 200°C sind einerseits schwer zu realisieren und führen andererseits zu einem Material, das im Bereich der Raumtemperatur recht spröde ist.

Die oben erwähnte, erwünschte Blasenfreiheit ist nicht nur abhängig von Pro zessparametern, wie der Auftragsdicke, sondern auch von Materialeigen schaften.

Wichtig ist, dass das Epoxy im flüssigen Zustand eine hinreichend niedrige Viskosität hat, um gut zu verlaufen, und dass die Gelzeit lang genug ist, dass alle blasenbildenden Verunreinigungen verdampft sind. Diese Forderung nach langen Gelzeiten ist dem herkömmlichen Trend der Pulverlackierer, die bisher die Technik des Sprühsinterns anwenden, entgegengesetzt, die zur Erzielung hoher Durchlaufzeiten beim Dünnschicht-Lackieren die Gelzeiten durch Zuga be von Beschleunigern gezielt niedrig einstellen, beispielsweise typischerwei se auf 15 s. Durch Verringerung des Beschleunigeranteils lassen sich jedoch die Gelzeiten handelsüblicher Pulver ohne Schwierigkeiten auf Zeiten ≧ 40 s bringen, die für die vorliegende Anwendung ausreichend lang sind.

Die Viskosität wird bei Sprühpulvern meist nicht als separate Grösse gemes sen und spezifiziert; stattdessen wird der sogenannte Ablauf, der sich aus Viskosität und Gelzeit ergibt, spezifiziert. Blasenfreie Schichten werden er zielt, wenn der Ablauf < 30 mm ist.

Eine Füllung mit anorganischen Füllstoffen ist prinzipiell wünschenswert zur Preisreduktion, Verbesserung der Kriechbeständigkeit, zur Verringerung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten und zur Verbesserung der Wärmelei tung der Isolierung. Der Füllstoffanteil an der Gesamtmischung sollte 5-50 Gewichtsprozent betragen, bezogen auf eine geschlossene Dichte der Füll stoffe von bis zu 4 g/cm³. Gebräuchliche Füllmittel sind beispielsweise Quarz mehl, Wollastonit, Talk und Kreidemehl mit Korngrössen um 10 µm (mittlere Korngrösse d₅₀). Zur Herstellung eines Sprühpulvers wird der Füller zusam men mit Harz, Härter und weiteren Zusatzstoffen gemischt und kompoundiert. Das kompoundierte Produkt wird anschliessend zu Pulver zermahlen.

Diese Mahlprozesse werden üblicherweise in Geräten aus Stahl oder Hart metall (Mohs'scher Härtegrad 5 bis 6) durchgeführt. Die Verwendung harter Füllstoffe, z. B. Quarzmehl (Härtegrad 7), führt zu metallischem Abrieb, bevor zugt in Form von Spänen im sub-mm Bereich. Diese werden in die Isolierung eingebaut und führen aufgrund ihrer nadelähnlichen Geometrie zu Stellen mit einer lokal sehr stark überhöhten elektrischen Feldstärke, von denen erfah rungsgemäss ein elektrischer Durchschlag erfolgen kann. Vermieden wird der Abrieb durch Verwendung von "weichen" Füllern (Mohs'scher Härtegrad ≦ 4), z. B. Kreidemehl und/oder Verwendung von feineren Füllstoffen mit d₅₀ « 1 µm, z. B. Ton, SiO₂, ZnO oder TiO₂.

Derartige Feinfüller haben darüber hinaus den Vorteil, dass sie selbst bei Vor liegen von Fehlstellen wie Hohlräumen oder metallischen Einschlüssen den elektrischen Durchbruch verhindern oder zumindest sehr stark verzögern, wie beispielsweise im US-Patent Nr. 4 760 296 von Johnston et al. oder in der deutschen Patentanmeldung DE 40 37 972 A1 offenbart. In diesen beiden Veröffentlichungen wird die Lebensdauer-erhöhende Wirkung durch gänzli ches oder teilweises Ersetzen des Grobfüllers durch Füller mit Korngrössen im Nanometer-Bereich (0,005 bis 0,1 µm maximale Korngrösse) erzielt. Nano füller haben jedoch die unangenehme Begleiteigenschaft, die Schmelzezähig keit der Pulvermischung stark zu erhöhen, der sogenannte Tixotropie-Effekt. Dies stört sowohl bei der Herstellung des Pulvers als auch bei seiner Verar beitung. Dennoch stellen Nano-Füller aber eine brauchbare Alternative zur Lebensdauer-Erhöhung dar. Für die erfindungsgemässe Anwendung hat sich jedoch auch gezeigt, dass eine alternative Verwendung von TiO₂-Pulver mit mittleren Korngrössen von ca. 0,2 µm als vollständiger oder teilweiser Ersatz für Grobfüller nicht zu einer nachteiligen Erhöhung der Schmelzeviskosität führt und trotzdem ebenfalls die Lebenszeit-erhöhenden Wirkungen in der Art von Nano-Füllern besitzt. Der Anteil von TiO₂-Pulver an der Gesamtmischung sollte dabei mindestens 3%, vorzugsweise mindestens 5% betragen.

Leitfähige Schichten, die für Innenglimmschutz und Aussenglimmschutz ein gesetzt werden, lassen sich durch Verwendung von leitenden Füllstoffen, wie beispielsweise Graphit, Russ und/oder Metallpulver, herstellen.

Im folgenden wird nun basierend auf den vorstehenden grundlegenden Er läuterungen der Materialien sowie der Vorrichtung der Verfahrensablauf bei der erfindungsgemässen neuartigen Isolierung von elektrischen Leitern be schrieben.

Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

1) Montage des zu beschichtenden Stabs bzw. der Spule auf einer Drehvor richtung

In einem ersten Schritt S1 wird ein zu beschichtender Stab bzw. eine zu be schichtende Spule auf einer Drehvorrichtung montiert. Hierbei sind die Stab enden bzw. Spulenaugen die Halterungspunkte. Vorteilhafterweise ist der Stab bzw. die Spule durch innere Verklebungen der Leiter oder Umwicklung mit einem Band vorverfestigt, da dies die Handhabung erleichtert, jedoch ist dies keine zwingende Voraussetzung. Bei grösseren Objekten sind Zwi schenabstützungen sinnvoll, um eine sichere Befestigung auf der Drehvor richtung sowie eine genaue Positionierung zu gewährleisten. Die Drehvor richtung mit dem darauf montierten Stab oder der Spule wird mittels einer Steuereinrichtung angesteuert, die vorteilhafterweise in der Steuerung einer Sprüheinrichtung enthalten ist.

2) Heizen der Stabs bzw. der Spule

Im zweiten Schritt S2 wird der Stab bzw. die Spule an eine elektrische Hei zung angeschlossen. Diese elektrische Heizung kann beispielsweise eine ohmsche Heizung durch Gleichstrom oder Niederfrequenz, z. B. 50 Hz, sein, oder eine induktive Heizung durch Mittelfrequenz oder Hochfrequenz. Mittels dieser Heizung wird der Stab bzw. die Spule auf eine gewünschte Substrat temperatur erwärmt.

3) Ausrichten der Stab- bzw. Spulenposition zur Sprühpistole

Im folgenden dritten Schritt S3 erfolgt ein Ausrichten der Stab- bzw. Spulen- Position für einen Beginn des Sprühens. Dabei wird eine der Flachseiten des Stabes bzw. der Spule senkrecht zur Sprühpistole ausgerichtet.

4) Sprühen eines Innenglimmschutzes auf den Stab bzw. die Spule

Anschliessend erfolgt als vierter Schritt S4 und somit erster eigentlicher Be schichtungsschritt ein Sprühen eines Innenglimmschutzes in horizontalen Bahnen. Die Bewegung der Sprühpistole erfolgt derart, dass ein homogenes Schichtdickenprofil erzeugt wird. Hierzu kann es notwendig sein, bei sehr brei ten Stäben mehrere überlappende Bahnen parallel zu spritzen. Dabei wird als aufgesprühtes Beschichtungspulver ein leitfähiges oder halbleitfähiges Ther moset verwendet. Um das Besprühen zu beschleunigen, können bei grossen Objekten mehrere Sprühpistolen gleichzeitig eingesetzt werden. Die bei grö sseren Objekten zur Positionsstabilisierung verwendeten Zwischenabstützun gen fahren beim Herannahen der Sprühpistole automatisch weg, um eine voll ständige Beschichtung des Stabs bzw. der Spule zu ermöglichen. Über die Fördermenge des Beschichtungspulvers sowie die Fahrgeschwindigkeit der Sprühpistole kann in einfacher Weise die auf den Stab bzw. die Spule aufge brachte Schichtdicke variiert werden. In der Regel beträgt die Schichtdicke ≦ 0,2 mm pro Durchgang, um die Blasenfreiheit der jeweiligen Schicht sicherzu stellen.

5) Drehen des Stabs bzw. der Spule und Wiederholen der Schritte S3 und S4

Als darauf folgender fünfter Schritt S5 erfolgt nach Beendigung der Beschich tung einer Flachseite eine Drehung des Stabes bzw. der Spule, so dass eine weitere, noch nicht beschichtete Stab- bzw. Spulenseite der Sprühpistole zu gewandt ist. Danach werden der dritte und der vierte Schritt S3 und S4 zur Beschichtung der nächsten Stab- bzw. Spulenseite wiederholt. Ebenso wer den der fünfte, dritte und vierte Schritt S3, S4 und S5 auch noch für alle weite ren Seiten des Stabes bzw. der Spule wiederholt, bis der Stab bzw. die Spule vollständig beschichtet ist. Bei Spulen erfolgt zudem noch eine Wiederholung für den anderen Spulenschenkel.

In der Regel wird die für den Innenglimmschutz erforderliche Dicke in einem einmaligen Durchgang aufgetragen; in der Ausnahme können aber auch meh rere Beschichtungsdurchgänge durchgeführt werden, falls eine höhere Schichtdicke als 0,2 mm gewünscht ist.

6) Aushärten des Innenglimmschutzes

Anschliessend wird als Schritt S6 diese Innenglimmschutzschicht teilweise oder vollständig, d. h. über einen Zeitraum zwischen 2 bis 10 min. bzw. 20 bis 60 min. bei 200°C ausgehärtet.

7) Aufbringen der Isolierschicht entsprechend den Schritten S3 bis S6

Anschliessend wird in einem siebenten Schritt S7 die eigentliche Isolierschicht aufgebracht. Dabei wird ein anderes Beschichtungspulver verwendet als bei dem Innenglimmschutz, nämlich ein isolierend gefülltes oder ungefülltes Ther moset.

Wiederum werden die vorstehend beschriebenen dritten, vierten und fünften Schritte im Unterschied zu den vorstehend beschriebenen Schritten nur mit dem isolierenden Beschichtungspulver durchgeführt, wobei Lagen von < 0,2 mm wiederholt aufgebracht werden, bis eine gewünschte Isolierdicke erreicht ist. Hierbei erfolgt nach dem Sprühen jeder Lage eine Zwischenhärtung, die 2 bis 10mal die Gelzeit des Pulvers dauert. Zusätzlich muss, um ein zuverlässi ges Aufschmelzen des Beschichtungspulvers sicherzustellen, beachtet wer den, dass eventuell mit steigender Schichtdicke die Substrattemperatur nach geregelt werden muss. Dies wird bevorzugt berührungslos, z. B. mittels eines IR-Pyrometers geschehen. Um eine Überhitzung der Leiterelemente und de ren Isolierung zu vermeiden, kann die Überwachung des temperaturabhängi gen Widerstandes des Leiters verwendet werden.

8) Aufbringen des Aussenglimmschutzes entsprechend den Schritten S3, S4, S5 und S6

Als anschliessender Schritt, der auf das Aufbringen der Isolierschicht (Schritt S7) folgt, wird ein Aussenglimmschutz aus leitfähigem Epoxy auf die Isolier schicht aufgebracht. Das verwendete Material sowie die Verfahrensschritte entsprechen den im dritten, vierten und fünften Schritt beschriebenen.

9) Nachhärten der aufgebrachten Isolierung

Als abschliessender Schritt nach Beendigung der Beschichtungen (Schritte S1 bis S8) erfolgt entweder ein Nachhärten der aufgebrachten Isolierung mit einer Stromheizung auf der Haltevorrichtung oder nach dem Ausbau aus der Drehvorrichtung im Ofen.

Da bei diesem erfindungsgemässen Verfahren zur Isolierung die Stäbe an ih ren Enden gehaltert sind, werden diese nicht beschichtet. Dies hat jedoch keinerlei Nachteile zur Folge, da die Stabenden zum Auflöten von Rundver bindungen sowieso frei bleiben.

Bei der Spulen wird hingegen der Bereich im Spulenauge absichtlich nicht be schichtet. Auf diese Weise wird nämlich die für den Einbau nötige Verform barkeit der Spulen bewahrt. Eine Isolierung der Spulenaugen erfolgt dann erst im eingebauten Zustand nach der Montage.

Für diesen Isoliervorgang der Spulenaugen bieten sich dabei die folgenden Verfahren an:

1. Entweder wird der Motorstator senkrecht gestellt und die Spulen werden elektrisch geheizt. Dann werden die Spulenaugen des unteren Spulenendes durch Eintauchen der Spulenenden in ein Wirbelsinterbecken mit Thermoset- Pulver beschichtet. Dann wird der Stator um 180° gedreht und die Spulenau gen des anderen Statorendes werden auf dieselbe Weise, wie vorstehend be schrieben, beschichtet. Vor allen eignet sich dieses Verfahren zum Be schichten kleinerer Statoren.
2. Alternativ wird die Motorwicklung resistiv geheizt und die Endpartien der Spulen werden durch Sprühsintern isoliert. Dieses Verfahren wird mit Vorteil bei grösseren Motoren eingesetzt, bei denen das Gesamtgewicht des Stators hoch ist und das Senkrecht-Hängen ein Problem werden kann. Auch sind bei grossen Maschinen die Abstände zwischen den Spulen meist grösser, so dass die Beschichtung mit einer Sprühpistole somit einfacher wird.

In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens kann das Aufsprühen eines Innenglimmschutzes, wie es in den vorhergehen den Schritten 3) bis 5) beschrieben ist, entfallen, falls für die Vorverfestigung des Stabs bzw. der Spule ein Band verwendet wurde, das mit einer leitfähigen oder halbleitfähigen Schicht versehen ist und somit gleichzeitig mit der Vor verfestigung einen Innenglimmschutz bildet.

Zusammenfassend offenbart die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung ei ner hochwertigen Isolierung von Leitern oder Leiterbündeln elektrischer Ma schinen mittels Sprühsintern. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist es möglich, Innenglimmschutz, Isolierung und Aussenglimmschutz auf Leitern oder Leiterbündeln aufzubringen, bei denen aufgrund fehlender Fehlstellen keine Teilentladungen auftreten, ohne dazu aufwendige Spezialgeräte erfor derlich sind, wie bei der bisher verwendeten Isolierung mit Glimmer.

Somit bietet die Erfindung ein einfaches, kostengünstiges Verfahren zur Iso lierung von Leiterstäben bzw. Spulen mit einer qualitativ hochwertigen Isolie rung, die Fehlstellen-frei und somit teilentladungsfrei ist.

Zusammenfassend offenbart die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Her stellung einer hochwertigen Isolierung von Leitern oder Leiterbündeln elektri scher Maschinen mittels Sprühsintern. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist es möglich, Innenglimmschutz, Isolierung und Aussenglimmschutz auf Lei tern oder Leiterbündeln aufzubringen, bei denen aufgrund eines sehr gerin gen Fehlstellengehaltes der Isolierung und ihrer härenten Resistenz gegen Teilentladungen auf die Verwendung von Wickelverfahren mit Glas/Glimmer bändern verzichtet werden kann. Dadurch entfällt die Verwendung aufwendi ger Spezialgeräte und es werden wesentliche Verkürzungen bei den Durch laufzeiten möglich.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer hochwertigen Isolierung für Leiter oder Leiterbündel, mit den Schritten:
(S1) Montage eines zu beschichtenden Leiters oder Leiterbündels auf ei ner Dreh- und Haltevorrichtung,
(S2 bis S8) Aufbringen einer Isolierung mit einem gewünschten Schicht dickenprofil auf den vorgeheizten Leiter oder Leiterbündel mittels einer auf einer einstellbaren Verfahreinheit angeordneten Sprühpistole, wobei bei dem Aufbringen entweder eine kombinierte Bewegung von Sprühpistole und Leiter oder Leiterbündel mittels der Verfahreinheit sowie der Dreh- und Haltevorrichtung oder eine alleinige Bewegung der Sprühpistole mit tels der Verfahreinheit erfolgt, und
(S9) Nachhärten der aufgebrachten Schichten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, mit den weiteren Schritten:
(S2) Heizen des Leiters oder Leiterbündels auf eine vorbestimmte Sub strattemperatur,
(S3) Ausrichten der Leiter oder Leiterbündel-Position zur Sprühpistole der art, dass eine der Flachseiten der Sprühpistole zugewandt ist,
(S4) Sprühen eines Innenglimmschutzes auf den zu beschichtenden Leiter bzw. das Leiterbündel,
(S5) Drehen des Leiters oder Leiterbündels derart, dass eine weitere Flachseite der Sprühpistole zugewandt ist und Wiederholen der Schritte S3 und S4, bis alle Flachseiten des Leiter oder Leiterbündels beschichtet sind,
(S6) teilweises oder vollständiges Aushärten der aufgebrachten Innen glimmschutzschicht,
(S7) Aufbringen einer Isolierschicht entsprechend den Schritten S3 bis S6 auf alle Seiten des Leiters oder Leiterbündels mit Schichtdicken kleiner gleich 0,2 mm und Zwischenhärten nach jeder Schicht, wobei die Substrat temperatur soweit erforderlich nachgeregelt wird, und
(S8) Aufbringen eines Aussenglimmschutzes entsprechend den Schritten S3 bis S6.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Leiter oder Leiterbündel ein Roebelstab oder eine Spule sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, mit dem weiteren Schritt (S0) Vorverfestigen des Leiters bzw. der Leiterbündel durch innere Verkle bungen oder Umwicklung mit einem Band.

5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei Schritt S1 ein Haltern des Stabs an den Stabenden oder der Spule an den Spulenaugen umfasst.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei in Schritt S1 grössere Objekte durch zusätzliche Zwischenabstützungen gehalten werden, um eine genaue Positionierung zu gewährleisten.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei der Leiter bzw. das Leiterbündel elektrisch geheizt wird durch eine Ohmsche Heizung unter Verwendung von Gleichstrom oder Nieder frequenz oder durch eine induktive Heizung unter Verwendung von Mittel frequenz oder Hochfrequenz.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei anstelle dem Heizen gemäss (S2) ein Heizen des Leiters oder Leiterbün dels vor oder nach der Montage auf der Dreh- und Halteeinrichtung mittels Bestrahlung erfolgt und ein Nachheizers immer dann erfolgt, wenn die Sub strattemperatur unter eine vorbestimmte Substrattemperatur abfällt.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei die Schritte S4, S7 und S8 bei breiten Leitern oder Leiterbündeln durch Sprühen in mehrfachen parallelen Bahnen durch mehrere Sprühpistolen ausgeführt werden.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 9, wobei in Schritt S4 als Beschichtungspulver leitfähig oder halbleitfähig gefüllter, thermisch vernetzender Kunststoff verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 6, wobei in Schritt S4 die Zwischenabstützungen beim Herannahen der Sprüh pistole automatisch wegfahren.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit dem weiteren Schritt Variieren der Schichtdicke, indem die Fördermenge des Beschichtungs pulvers sowie die Fahrgeschwindigkeit der Sprühpistole gesteuert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 3, wobei bei Vorliegen einer Spule Schritt S5 auf für den anderen Spulenschenkel wiederholt wird.

14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 13, wobei in Schritt S7 als Beschichtungspulver ein isolierend gefüllter thermisch vernetzender Kunststoff verwendet wird.

15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 14, wobei in Schritt S8 als Beschichtungspulver ein leitfähiger thermisch vernetzen der Kunststoff verwendet wird.

16. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 15, wobei in Schritt S9 das Nachhärten mittels einer Stromheizung erfolgt, der Leiter anschliessend auskühlen gelassen und dann aus der Drehvorrichtung aus gebaut wird oder der Leiter direkt aus der Drehvorrichtung ausgebaut und in einem Ofen nachgehärtet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Schritte S3 bis S6 zum Aufbringen des Innenglimmschutzes ersatzlos wegfallen, wenn in Schritt S0 ein Band verwendet wird, das mit einer leit fähigen oder halbleitfähigen Schicht versehen ist und gleichzeitig mit der Verfestigung einen Innenglimmschutz bildet.

18. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 18, wobei Schritt S4 ein Aufladen des Beschichtungsmaterials vor dem Aufbringen auf die Leiteroberfläche umfasst, wobei dieses Aufladen elektrostatisch oder triboelektrisch sein kann, so dass an Kanten eine dickere Beschich tung erfolgt.

19. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 18, wobei in den Schritten S3 bis S8 auf die verschiedenen Leiter- bzw. Leiterbündel- Seiten verschiedene Schichtdicken aufbringbar sind.

20. Verfahren nach Anspruch 3, mit dem weiteren Schritt
(S10) im Falle einer Spule nach dem Einbau der Spule Senkrechtstellen des Motorstators, elektrisch Heizen der Spule und Eintauchen der Spulen augen in ein Wirbelsinterbecken zum Beschichten mit Epoxy jeweils für beide Spulenseiten oder
im Falle eines Stabs resistives Heizen der Motorwicklung und Isolieren der Endpartien durch Sprühsintern für beide Stabenden.

21. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 20, wobei in Schritt S7 die Oberflächentemperatur berührungslos überwacht wird und entsprechend einer Abweichung der erfassten Oberflächentemperatur von einer gewünschten Oberflächentemperatur die Substrattemperatur nach geregelt wird.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 10, 14 oder 15, wobei der thermisch vernetzende Kunststoff ein Epoxidharz im B-Zustand ist.