EP3729469A1 - Formulierung zur herstellung eines isolationssystems, elektrische maschine und verfahren zur herstellung eines isolationssystems - Google Patents

Formulierung zur herstellung eines isolationssystems, elektrische maschine und verfahren zur herstellung eines isolationssystems

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EP3729469A1
EP3729469A1 EP19706909.9A EP19706909A EP3729469A1 EP 3729469 A1 EP3729469 A1 EP 3729469A1 EP 19706909 A EP19706909 A EP 19706909A EP 3729469 A1 EP3729469 A1 EP 3729469A1
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EP
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formulation
formulation according
resin
hardener
insulation system
Prior art date
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Pending
Application number
EP19706909.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen Huber
Steffen Lang
Niels Müller
Igor Ritberg
Matthias ÜBLER
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Innomotics GmbH
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP3729469A1 publication Critical patent/EP3729469A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01B3/302—Polyurethanes or polythiourethanes; Polyurea or polythiourea

Definitions

  • the invention relates to a formulation for producing an insulating system for an electrical machine, in particular a rotating electrical machine of high voltage or medium voltage range such as a generator and / or motor, the higher rated voltages at operating voltages, so for example from 1 kV or more exposed are, as well as such an electrical machine with an insulation system that can be produced at least in part from the formulation.
  • the inven tion relates to a method for at least partially automated production of an insulation system for such an electric machine.
  • a high-performance generator such as a Turbogenera gate, in particular has a stator or stator with a stator core and a plurality of generator grooves in which the generator insulation system, usually in the form of a winding, is located.
  • the main insulation of generators based on epoxide resin-impregnated mica tapes, provides shielding of the high-voltage conductors, in particular Kupferlei ter against the grounded stator. It has a high partial discharge insertion voltage, which allows it to permanently degrade, for example, 3.5kV per millimeter.
  • the conductors in particular copper conductors, so the electric coil, the so-called verröbelten bars are pressed together, if appropriate, applied on the bars mecanicpotentialsteue tion, IPS, the main insulation and then the outer corona, AGS and possibly an end corona.
  • End corona protection applied to control the electrical potential, for example, to raise the potential across the EGS length.
  • All these components of the Isolationsssys system, so IPS, main insulation, AGS and EGS, are so far usually wound as bands on the sub-conductor, where parts of it, such as the EGS, are applied completely by hand. Also, the other parts can not be applied automatically, because either the number of automation does not make the Sieren economic and / or the risk of trapped air in the folds does not guarantee the quality that is required in the winding.
  • the tapes which are wound, usually consist of glued mica platelets, the nen in the insulation, the erosion path in the insulation system to extend, ie the direct path from the high voltage side, ie the Lei tern, to grounded laminated core, creating a significantly longer life of an insulation system results.
  • Object of the present invention is therefore to overcome the Häei le of the prior art, in particular the cost of producing an insulation system for a ro animal electrical machine of high voltage or medium voltage range such as a generator and / or motor, the higher rated voltages at Railspannun gene, so for example, from 1 kV or more, is exposed to minimize.
  • the subject of the present invention ei ne sprayable formulation for an insulation system of an electrical machine, in particular a rotating electric machine of the high voltage or Mittelwoodsbe range such as a generator and / or a motor, the higher rated voltages at operating voltages, so for example from 1 kV or more exposed, wherein the formulation comprises a sprayable resin mixture, the ben ben of a monomeric and / or oligomeric, at least one diepoxidische carbon-based resin component nor a monomeric and / or oligomeric resin component on methyl / phenyl polysiloxane-based having at least Diglycidylester- and / or Diglycidyletherfunktionalität and / or still one or more, usable as a hardener compounds on anhydride and / or (poly) amine-based and / or amino and / or alkoxyfunktionale methyl / phenyl-polysiloxane-based comprises.
  • mer platelets can be dispensed with the use of glued to the band large Glim and formulated the insulating material in the form of a sprayable solution and produced.
  • Partial discharge resistant resins and resin blends are at play as those in which the polymeric component is a component having a - [SiR 2 _ 0-] n - backbone as a minor component of the resin mixture and / or resin-hardener mixture, ie less than 50 mol %, in particular less than 40 mol%, and more preferably less than 30 mol% of polymerisierba ren resin mixture and / or resin-hardener mixture is present.
  • resin mixtures and / or resin-hardener mixtures for electrical insulation and in particular as impregnating resins for winding tape insulation preferably epoxy resins based on carbon used in liquid form on a carbon-based - [- CH2-] n _ backbone all These are reacted with hardener to a thermosetting plastic material, which forms a potting and / or, for example, the impregnation of Wickelbandisoltechnik possible functional groups, for example.
  • thermosetting resin mixture and / or resin-hardener mixture for the insulation system is a siloxane-containing compound which has a - [SiR 2 -O] n backbone in the duromer forms.
  • R stands for all types of organic radicals which are suitable for curing and / or crosslinking to an insulating material which is suitable for an isolation system, in particular R is -aryl, -alkyl, -heterocycles, nitrogen, oxygen and / or sulfur-substituted Aryls and / or alkyls.
  • R may be the same or different and represent the following groups:
  • Alkyl for example methyl, propyl, isopropyl, butyl, isobutyl, tert-butyl, pentyl, isopentyl, cyclopentyl and all other analogs up to dodecyl, ie the homolog with 12 carbon atoms;
  • Aryl for example: benzyl, benzoyl, biphenyl,
  • Toluyl-, xylenes and similar aromatics in particular, for example, all aryl radicals, with one or more ren rings whose structure corresponds to the definition of Hückel for the aromaticity,
  • Heterocycles in particular sulfur-containing heterocycles such as thiophene, tetrahydrothiophene, 1,4-thioxane and homologues and / or derivatives thereof,
  • Oxygen-containing heterocycles e.g. Dioxane
  • Nitrogen-containing heterocycles e.g. those with -CN, -CNO, -CNS, -N3 (azide) substituents on the ring or on the rings and
  • Sulfur-substituted aryls and / or alkyls e.g. Thiophene, but also thiols.
  • the Hückel Rule for Aromatic Compounds refers to the connexion that planar, cyclic-conjugated molecules comprising a number of P-electrons, which can be represented in the form of 4n + 2, possess particular stability, also known as Aromaticity is called.
  • Aromaticity is called.
  • the resin mixture and / or resin-hardener mixture in addition to the polymerization functionalized monomer and / or oligomeric component having a - [SiR 2 -0] n- backbone, at least one for the polymerization functionalized monomeric or oligomeric resin component with a carbon - ie - [-CR1R2-] n-units comprising backbone.
  • R is -hydrogen, -aryl, -alkyl, -heterocycles,
  • Nitrogen, oxygen and / or sulfur-substituted aryls and / or alkyls are particularly suitable.
  • epoxide-functionalized components such as bisphenol F diglycidyl ether (BFDGE) or bisphenol A diglycidyl ether (BADGE), polyurethane and mixtures thereof.
  • BFDGE bisphenol F diglycidyl ether
  • BADGE bisphenol A diglycidyl ether
  • BFDGE bisphenol A diglycidyl ether
  • BADGE bisphenol A diglycidyl ether
  • the monomer or oligomeric component functionalized for the polymerization which has a - [SiR 2 _ 0] n - backbone with one or more, - [- CRiR 2] n _ backbone-containing components selected from the group of the following compounds to the resin Mixture and / or resin-hardener mixture combined:
  • glycidyl-based and / or epoxy-terminated aryl and / or alkyl siloxanes are particularly suitable glycidoxy-terminated siloxanes.
  • a siloxane such as the 1,3-bis (3-glycidyl-oxypropyl) tetramethyldisiloxane, the DGTMS, and / or the glycidoxy-terminated phenyl-dimethylsiloxane and / or phenylmethyl-siloxane in monomeric and / or oligomeric is suitable Form, as well as in any mixtures and / or in the form of Deriva th.
  • the 4 methyl substituents on the silicon in the DGTMS may be different, identical or different any alkyl and / or aryl substituents.
  • One of these already tested components is commercially available as "Silres® HP® 1250®. It has been shown that at least two-functionalized siloxanes which can be used for the production of thermosets are suitable here.
  • Suitable hardeners are cationic and anionic Härtungska catalysts, such as organic salts, such as organic cal ammonium, sulphonium, iodonium, phosphonium and / or imidazolium salts and amines, such as tertiary amines, pyrazoles and / or imidazole compounds.
  • organic salts such as organic cal ammonium, sulphonium, iodonium, phosphonium and / or imidazolium salts and amines, such as tertiary amines, pyrazoles and / or imidazole compounds.
  • organic salts such as organic cal ammonium, sulphonium, iodonium, phosphonium and / or imidazolium salts and amines, such as tertiary amines, pyrazoles and / or imidazole compounds.
  • amines such as tertiary amines, pyrazoles and
  • oxirane group-containing compounds such as
  • Glycidyl ether can be used as a hardener.
  • the hardener can alternatively or additionally by a compound with - [-S1R2-O-] n- backbone, here called siloxane-based compound, partially or completely he sets.
  • high polymers solid di- or trianhydrides may be useful as curing agents at room temperature, e.g. 3, 3 ', 4, 4' - benzophenone tetracarboxylic dianhydride (BTDA, CAS No. 2421-28-5).
  • BTDA CAS No. 2421-28-5
  • a PHthal Acidanhydridderivat and / or a polyamine, and / or a product of Wacker AG the alkyl and / or aryl and / or alkoxy-substituted Wacker HP 2000 or HP 2020 will be.
  • the carbon-based hardener is also partially or completely replaced by siloxane-based hardeners with the same funcionalities.
  • the siloxane-containing component is therefore present in an amount of 10 to 50 mol% in the resin mixture and / or resin-hardener mixture of the formulation. It is particularly preferred if the amount of siloxane-containing component in the base resin is not more than 20 mol%, in particular not more than 18 mol% and especially preferably not more than 15 mol%.
  • the partial discharge resistance of the insulating material is virtually increased by the presence of a certain amount of - [SiR 2 _ 0 -] n -forming monomers or oligomers in the base resin.
  • filler is added to the formulation.
  • filler fractions such as small mica powder and / or other metal oxide Ke ceramics, such as alumina, silica, but also Alumi niumnitrites used as fillers.
  • the fillers are used for example in particle size fractions 1-150 ym, in particular from 10 to 120ym, preferably in the range of 30 to 100 ym, because it increases the partial discharge resistance and, above all, the heat conductivity of the insulating system.
  • nanoparticulate filler in particular those based on quartz, Si0 2, for example.
  • an additive in particular a sintering additive, for example based on an organic Phos phortagen added according to an advantageous embodiment of the For formulation additionally.
  • the organic phosphorus compound catalyzes the fusing and / or sintering of simultaneously present Si0 2 nanoparticles to vitreous regions in the resin. For example, this creates a vitreous region as a barrier layer in the insulation system.
  • the formulation preferably contains a combination of the sintering additive and the nanoparticulate filler, since in the presence of an electrical discharge, glazed regions form in the finished duromer, which form a particularly good insulating effect.
  • Latest storage of such fully cured insulation materials show a lifetime increase by a factor of 8.
  • a formulation could be applied by spraying to produce the insulation system as follows:
  • organic phosphorus compound which may also be present as a mixture of several phosphorus compounds.
  • organic phosphorus compound which may also be present as a mixture of several phosphorus compounds.
  • mica in pulverized form which may be present in various particle sizes and / or particle shapes,
  • quartz nanoparticles 4 to 10% by weight of quartz nanoparticles, which may also be present in different fractions,
  • hardener which may be anhydride-free or anhydride-containing
  • a Formu lation for forming a producible by spraying insulation system comprises:
  • polymerisable carbon-based resin that is to say a polymer having a - [-CH 2 -] backbone and 2.5 to 6% by weight of a polymerisable resin
  • a concrete example of such a formulation is: 0.5% by weight of organic phosphorus compound,
  • MHHPA methylhexahydrophthalic anhydride
  • epoxidized siloxane e.g. Silres HP1250.
  • the epoxy resin fraction was successively stoichiometricized by various siloxane-containing components [1], [2] and [3]. replaced.
  • the resulting isolation systems samples 2,3 and 4 were targeted for test purposes and exposed to electrical discharges.
  • pattern 1 a conventional isolation system without - [SiR 2 _ 0 -] n backbone in the resin was compared with these patterns 2 to 4.
  • the eroded volumes were scanned by a laser and thus the eroded volume - or the eroded Tie fe of the insulation system - evaluated.
  • FIG. 1 shows the results of the tests, ie the reduction of the erosion volume, visualized by measuring the surface topography by means of laser triangulation.
  • the aging parameters were at room temperature, in air, duration 100 hours, atmosphere air 50% RH and voltage 10kV AC. It has been shown that even with a small sub-position of 20% of the CH 2 -based resin component, shown by the example of the epoxide-containing base resin DGEBA achieved by a - [SiR 2 -0] n- containing monomer, a significant increase in the partial discharge resistance which results in a significantly reduced eroded volume.
  • the pattern 1 shows the prior art. To know he is in the middle of a circle 8, representing the contact surface of metalli's conductor. Following this, a red circle 3, indicating an erosion depth of -40 ym to -80 ym, as the legend on the right edge of Figure 1 shows. The surrounding a flat yellow circle 4, indicating an erosion depth of -30 to -10 ym. The flat yellow circle 4 closes a white circle 5 indicating zero erosion.
  • the circle 5 has a radius which surrounds the entire test surface of the pattern 1 inside and touches the edges 7 of the pattern 1. With 6 the areas are marked, in which no erosion took place.
  • FIG. 1 shows the patterns 2
  • Figures 3 and 4 show exemplary embodiments of the invention which were tested under the identical conditions simultaneously with Sample 1 above.
  • the samples relate to three embodiments of the invention in which a portion, 20mol%, of the epoxy resin and / or
  • FIG. 1 shows an average reduction of the erosion volumes by partial - in this case 20% - replacement of the conventional epoxy resin by a component which has a - [SiR 2 _ 0] n backbone by about a factor of 9, which is simply sensational.
  • siloxane-containing compo nent which is solid at room temperature
  • formulations which are solid at room temperature and can be sprayed as powder coating, can then be applied, for example, by means of fluidized-bed spraying and / or electrostatic spraying.
  • HHPA Hexahydrophthalic anhydride "HHPA” CAS No. 85-42-7; - tetrahydrophthalic anhydrides isomers of THPA, CAS no. 2426-02-0 and CAS no. 935-79-5;
  • Amine derivatives as a curing agent is that by previous, in particular unique, melting with a solid at room tempera ture and / or normal pressure and / or normal conditions solid epoxy resin and / or Siloxanepoxidharz a homogeneously solid de melt is present.
  • a solidified melt thus obtained can be pulverized again immediately or after storage, is stoichiometrically easy to mix and best possible mixed preserved.
  • the powder produced, for example, from the solidified melt melts again and begins to crosslink immediately.
  • the aforementioned amine derivatives then no longer require long-lasting oven curing periods, but only short-segment post-curing phases at significantly lower temperatures.
  • the spray as a powder coating can also be a liquid paint, so the resin-hardener system in liq siger form or dissolved in a solvent sprayed who the.
  • This spraying can be carried out using compressed air or without compressed air.
  • the obvious advantage of spraying with solvent is that the viscosity of the resin-hardener mixture increases significantly as the solvent evaporates. This means that if the resin-hardener mixture is based on a The metal surface was sprayed, the viscosity of which rises so that it can no longer run.
  • the sprayed-on paint is finally subjected to a post-curing to complete it, which can take place thermally and / or by irradiation.
  • a sprayed layer of the insulation system has a thickness in the range of 50 microns to 150 microns, preferably 50 microns to 130 microns, and most preferably from 70 microns to 120 microns.
  • insulation thickness Be in the range of 700ym up to about 6mm insulation thickness required, so that the sprayed insulation systems are always applied in multiple layers.
  • the sprayable formulation at least one poly merisierbare component comprising a resin-hardener system, and one or more fillers.
  • the polymerizable component is a mixture of at least one of a - [SiR 2 -0-] n -containing backbone and a - [-CH 2] n _ containing backbone-containing compound to verstan.
  • the polymerisable component is selected from thermosets and / or thermoplastics.
  • 2-butanone, acetone and / or 1-butanol may be present as solvent in the sprayable liquid formulation.
  • fine mica as filler results in the advantage that the particles formed therefrom have a relatively low abrasiveness and therefore they can be simply sprayed on a conductor in the form of a particle-paint suspension with a nozzle to an insulation system to obtain.
  • a sprayed formulation either as a powder coating or as a liquid formulation with or without solvents, in particular for the production of the main insulation, allows a partially or fully automated production of Isolationsssys system also individually adapted to the respective machine th insulation systems.
  • the spray technology allows an increase in the power density of electrically rotating machines, assuming that the sprayed insulation system has the same electrical life as a conventional insulation system with corona protection tape, tape adhesive, Bandbe faster, possibly applied by hand Umwicke- followed by resin impregnation, optionally in vacuo and final resin curing.
  • Figure 2 shows the state of the art with mica tape insulation wound around the conductor
  • Figure 3 shows the spray insulation applied as a sprayable formulation.
  • FIG. 2 shows the state of the art, which conventionally inserted wound insulation system 11 around the square profile of the conductor 13, for example a copper conductor, in the sheet metal package 12.
  • the winding thickness 15 is less than the winding 15 'on the flat side. This is a simple consequence of the winding
  • a winding thickness 15 of 2.2 mm is measured at the edge 14, whereas at the flat side 16, a winding thickness 15 of 2.7 mm can be measured.
  • Figure 3 shows in contrast to the sprayed insulation system according to an embodiment of the invention. To know he is again the square profile 13 of the head of all recently no longer the wound, but sprayed in accordance with the inven tion insulation system 11 in the laminated core 12th
  • the conductor 13 has a maximum width 18 of 12 mm whereas, according to the invention, as shown in FIG. 3, it may have up to one mm more width, that is to say a width 18 of 13 mm.
  • the sprayable insulation in particular also also transport other quantities of electricity.
  • the invention discloses for the first time a sprayable formulation for producing an insulation system for an electric machine, particularly a rotary electric machine of the high voltage or medium voltage range such as a generator and / or motor, the higher measurement voltages at operating voltages, that is, for example, from 1 kV or more are exposed, as well as the her synthe isolation system.
  • the method for producing the insulation system comprises spraying and can thereby be automated.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine versprühbare Formulierung zur Herstellung eines Isolationssystems für eine elektrische Maschine, insbesondere eine rotierende elektrische Maschine des Hochspannungs- oder Mittelspannungsbereichs wie beispielsweise ein Generator und/oder Motor die höheren Bemessungsspannungen bei Betriebsspannungen, also beispielsweise ab 1 kV oder mehr ausgesetzt sind, sowie das daraus herstellbare Isolationssystem. Das Verfahren zur Herstellung des Isolationssystems umfasst ein Versprühen und ist dadurch automatisierbar.

Description

Beschreibung
Formulierung zur Herstellung eines Isolationssystems, elekt rische Maschine und Verfahren zur Herstellung eines Isolati onssystems
Die Erfindung betrifft eine Formulierung zur Herstellung ei nes Isolationssystems für eine elektrische Maschine, insbe sondere eine rotierende elektrische Maschine des Hochspan- nungs- oder Mittelspannungsbereichs wie beispielsweise ein Generator und/oder Motor die höheren Bemessungsspannungen bei Betriebsspannungen, also beispielsweise ab 1 kV oder mehr ausgesetzt sind, sowie eine derartige elektrische Maschine mit einem Isolationssystem, das zumindest zum Teil aus der Formulierung herstellbar ist. Schließlich betrifft die Erfin dung ein Verfahren zur zumindest teilweise automatisierten Herstellung eines Isolationssystems für eine derartige elekt rische Maschine.
Es werden immer leistungsstarkere elektrische Maschinen, wie beispielsweise Generatoren, entwickelt, da die fortschreiten de Technik immer höhere Leistungsdichten verlangt. Ein leis tungsstarker Generator, wie beispielsweise ein Turbogenera tor, weist insbesondere einen Ständer oder Stator mit einem Ständerblechpaket und einer Mehrzahl an Generatornuten, in denen sich das Generator-Isolationssystem, in der Regel in Form einer Wicklung, befindet.
Die Hauptisolierung von Generatoren, basierend auf epoxid- harzimprägnierten Glimmerbändern, sorgt für Abschirmung der unter Hochspannung stehenden Leiter, insbesondere Kupferlei ter gegen den geerdeten Stator. Sie besitzt eine hohe Teil entladungseinsetzspannung, was ihr ermöglicht, beispielsweise 3,5kV pro Millimeter dauerhaft abzubauen.
Die wichtigsten Bestandteile des Isolationssystems sind von innen nach außen betrachtet, die Leiter, insbesondere Kupfer leiter, also die elektrische Spule, die zu sogenannten verröbelten Stäben miteinander verpresst werden, gegebenen falls eine auf den Stäben aufgebrachte Innenpotentialsteue rung, IPS, die Hauptisolation und darauf der Außenglimm schutz, AGS sowie gegebenenfalls ein Endenglimmschutz.
Die Generator- und/oder Motorwicklung verlässt an jeweils den Stirnseiten des Blechpaketes die Generatornuten. An diesen Stellen wird an den AGS anschließend ein so genannter
Endenglimmschutz, EGS, aufgebracht um das elektrische Poten tial zu steuern, beispielsweise das Potential über die EGS- Länge anzuheben. Alle diese Bestandteile des Isolationssys tems, also IPS, Hauptisolation, AGS und EGS, werden bislang in der Regel als Bänder auf die Teilleiter aufgewickelt, wo bei Teile davon, wie der EGS, komplett per Hand appliziert werden. Die anderen Teile können auch nicht automatisiert aufgebracht werden, weil entweder die Stückzahl das Automati sieren nicht wirtschaftlich macht und/oder die Gefahr von Lufteinschlüssen in den Falten die Qualität nicht gewährleis tet, die bei der Wicklung erforderlich ist.
Nachdem alle Wicklungen des Isolationssystems gemacht sind, werden sie mit Imprägnierharz imprägniert, dann wird die im prägnierte Isolation - beispielsweise in einem Ofen - zum Duromer ausgehärtet.
Im Betrieb der elektrischen rotierenden Maschine entstehen hohe Spannungen, welche in dem Isoliervolumen zwischen dem auf Hochspannung befindlichen Leiterstab und dem auf Erdpo tential liegendem Blechpaket abgebaut werden müssen. An den Kanten der Bleche im Blechpaket entstehen dabei Feldüberhö hungen, die ihrerseits Teilentladungen hervorrufen. Diese Teilentladungen führen bei Auftreffen auf das Isolationssys tem lokal zu sehr starken Erhitzungen. Dabei werden die orga nischen Materialien des Isolationssystems sukzessive in nie dermolekulare, volatile Produkte, beispielsweise in CO2 zer setzt . Die Bänder, die gewickelt werden, bestehen in der Regel aus verklebten Glimmerplättchen, die in der Isolation dazu die nen, den Erosionsweg im Isolationssystem zu verlängern, also den direkten Weg von der Hochspannungsseite, also den Lei tern, hin zum geerdeten Blechpaket, wodurch eine deutlich längere Lebensdauer eines Isolationssystems resultiert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Nachtei le des Standes der Technik zu überwinden, insbesondere die Kosten der Herstellung eines Isolationssystems für eine ro tierende elektrische Maschine des Hochspannungs- oder Mittel spannungsbereichs wie beispielsweise einem Generator und/oder Motor die höheren Bemessungsspannungen bei Betriebsspannun gen, also beispielsweise ab 1 kV oder mehr, ausgesetzt ist, zu minimieren.
Die Lösung der Aufgabe und der Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind in der hier vorliegenden Beschreibung, den Fi guren und den Ansprüchen offenbart.
Dementsprechend ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ei ne versprühbare Formulierung für ein Isolationssystem einer elektrischen Maschine, insbesondere einer rotierenden elekt rischen Maschine des Hochspannungs- oder Mittelspannungsbe reichs wie beispielsweise ein Generator und/oder ein Motor die höheren Bemessungsspannungen bei Betriebsspannungen, also beispielsweise ab 1 kV oder mehr ausgesetzt ist, wobei die Formulierung ein versprühbares Harz-Gemisch aufweist, das ne ben einer monomeren und/oder oligomeren, mindestens eine diepoxidische Kohlenstoff-basierte Harz-Komponente noch eine monomere und/oder oligomere Harz-Komponente auf Methyl- /Phenyl-Polysiloxanbasis mit mindestens Diglycidylester- und/oder Diglycidyletherfunktionalität aufweist und/oder noch eine oder mehrere, als Härter einsetzbare Verbindungen auf Anhydrid- und/oder ( Poly) Aminbasis und/oder amino- und/oder alkoxyfunktionaler Methyl-/Phenyl-Polysiloxanbasis, umfasst. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Formu lierung des Weiteren noch Füllstoffe, die so klein sind, dass sie durch eine Sprühdüse applizierbar sind.
Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass auf Glimmer plättchen, wie sie herkömmlich bei allen Band- und/oder Wi ckelisolationen eingesetzt werden und die nicht versprühbar sind, weil sie schlicht zu groß sind, verzichtet werden kann, wenn als Harzbasis ein Harz und/oder eine Harzmischung einge setzt wird, die teilentladungsresistent ist. Es wurde er kannt, dass die Resistenz eines sprühbaren Harzes durch Zuga be von Füllstoffen, insbesondere von mineralischen Füllstof fen, erhöht wird, wenn zumindest ein Teil des Harzes durch eine teilentladungsresistente Komponente ausgetauscht wird.
So kann auf den Einsatz der zum Band verklebten großen Glim merplättchen verzichtet und das Isolationsmaterial in Form einer versprühbaren Lösung formuliert und hergestellt werden.
Teilentladungsresistente Harze und Harzmischungen sind bei spielweise solche, in denen als polymerer Bestandteil eine Komponente mit einem -[SiR2 _0-]n- Rückgrat als Nebenbestand teil des Harz-Gemisches und/oder Harz-Härter-Gemisches , also zu weniger als 50mol%, insbesondere zu weniger als 40 mol% und ganz bevorzugt zu weniger als 30 mol% des polymerisierba ren Harz-Gemisches und/oder Harz-Härter-Gemisches vorliegt.
Bisher werden als Harz-Gemische und/oder Harz-Härter-Gemische für elektrische Isolationen und insbesondere auch als Tränk harze für Wickelbandisolierungen bevorzugt Epoxidharze auf Kohlenstoffbasis eingesetzt, die in flüssiger Form an einem Kohlenstoff-basierten -[-CH2-]n _ Rückgrat alle möglichen funktionellen Gruppen, beispielsweise auch Epoxidgruppen tra gen. Diese werden mit Härter zu einem duroplastischen Kunst stoff umgesetzt, der einen Verguss und/oder beispielsweise die Imprägnierung der Wickelbandisolierung bildet.
Gemäß der Erfindung ist als Harz-Gemisch und/oder Harz- Härter-Gemisch für das Isolationsmaterial ein Harz und/oder ein Harzgemisch vorgesehen, bei dem zumindest ein Teil des zu einem Duromer härtenden Harz-Gemisches und/oder Harz-Härter- Gemisches für das Isolationssystem eine Siloxan-haltige Ver bindung ist, die im Duromer ein - [ SiR2-0] n-Rückgrat bildet.
Dabei steht „R" für alle Arten organischer Reste, die sich zur Härtung und/oder Vernetzung zu einem für ein Isolations system brauchbaren Isolationsstoff eignen. Insbesondere steht R für -Aryl, -Alkyl, -Heterocyclen, Stickstoff, Sauerstoff und/oder Schwefel substituierte Aryle und/oder Alkyle.
Insbesondere kann R gleich oder ungleich sein und für folgen de Gruppen stehen:
- Alkyl, beispielsweise -Methyl, -Propyl, -isoPropyl, - Butyl, -isoButyl, -tertButyl, -Pentyl, -isoPentyl, - Cyclopentyl sowie alle weiteren Analoge bis zu Dodecyl, also das Homologe mit 12 C-Atomen;
- Aryl, beispielsweise: Benzyl-, Benzoyl-, Biphenyl-,
Toluyl-, Xylole sowie vergleichbare Aromaten, insbeson dere beispielsweise alle Arylreste, mit einem oder mehre ren Ringen, deren Aufbau der Definition von Hückel für die Aromatizität entspricht,
- Heterozyklen: insbesondere schwefelhaltige Heterozyklen wie Thiophen, Tetrahydrothiophen, 1,4-Thioxan und Homolo ge und/oder Derivate davon,
- Sauerstoffhaltige Heterozyklen wie z.B. Dioxane,
- Stickstoffhaltige Heterozyklen wie z.B. solche mit -CN, - CNO,-CNS, -N3 (Azid) Substituenten am Ring oder an den Ringen und
- Schwefel substituierte Aryle und/oder Alkyle: z.B. Thio phen, aber auch Thiole.
Die Hückel-Regel für aromatische Verbindungen bezieht sich auf den Zusammenhang, dass planare, cyclisch durchkonjugierte Moleküle, die eine Anzahl von P-Elektronen, die sich in Form von 4n + 2 darstellen lässt, umfasst, eine besondere Stabili tät besitzen, die auch als Aromatizität bezeichnet wird. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung um fasst das Harz-Gemisch und/oder Harz-Härter-Gemisch neben der zur Polymerisation funktionalisierten monomer und/oder oligomer vorliegenden Komponente, die ein - [ SiR2-0] n-Rückgrat hat, auch zumindest eine zur Polymerisation funktionalisierte monomere oder oligomere Harzkomponente mit einem Kohlenstoff - also - [ -CR1R2- ] n-Einheiten umfassenden Rückgrat. Dabei steht R für -Wasserstoff, -Aryl, -Alkyl, -Heterocyclen,
Stickstoff, Sauerstoff und/oder Schwefel substituierte Aryle und/oder Alkyle. Insbesondere eignen sich beispielsweise Epo- xidfunktionalisierte Komponenten, wie Bisphenol-F- Diglycidylether (BFDGE) oder Bisphenol-A-Diglycidylether (BADGE), Polyurethan sowie Mischungen hieraus. Bevorzugt sind Epoxidharze basierend auf Bisphenol-F-Diglycidylether
(BFDGE) , Bisphenol-A-Diglycidylether (BADGE) oder Mischungen hieraus .
Beispielsweise wird die zur Polymerisation funktionalisierte monomere oder oligomere Komponente, die ein -[SiR2 _0]n- Rückgrat hat mit einer oder mehreren, -[-CRiR2-]n _ Rückgrat enthaltender Komponenten, ausgewählt aus der Gruppe folgender Verbindungen zum Harz-Gemisch und/oder Harz-Härter-Gemisch kombiniert :
undestillierter und/oder destillierter, ggf. reaktivverdünn ter 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; Tetrahydrophthalsäurediglycidyl- ether z.B. CY192; glycidierte Aminoharze (N, N-Diglycidyl- para-glycidyloxyanilin z.B. MY0500, MY0510, N, N-Diglycidyl- meta-glycidyloxyanilin z.B. MY0600, MY0610, N,N,N',N'- Tetraglycidyl-4 , 4 ' -methylendianilin z.B. MY720, MY721, MY725, sowie beliebiger Mischungen der vorgenannten Verbindungen.
Als zur Polymerisation funktionalisierte monomere oder oligomere Komponente, die ein - [ SiR2-0- ] n-Rückgrat hat eignen sich glycidyl-basierte und/oder epoxy-terminierte Aryl- und/oder Alkyl-Siloxane, wie beispielsweise glycidoxy funkti onalisierte, insbesondere glycidoxyterminierte Siloxane. So eignet sich beispielsweise ein Siloxan wie das 1,3-Bis(3- glycidyl-oxypropyl ) tetramethyldisiloxan, das DGTMS, und/oder das glycidoxyterminierte Phenyl-Dimethylsiloxan und/oder Phe- nyl-Methyl-Siloxan in monomerer und/oder in oligomerer Form, sowie in beliebigen Mischungen und/oder in Form von Deriva ten. Anstelle der 4 Methylsubstituenten am Silizium im DGTMS können verschiedene, gleiche oder ungleiche beliebige Alkyl- und/oder Aryl-Substituenten stehen. Eine dieser bereits ge testeten Komponenten ist als „Silres® HP® 1250® handelsüb lich. Es hat sich gezeigt, dass zumindest zweifach funktiona lisierte Siloxane, die zur Herstellung von Duroplasten ein- setzbar sind, hier geeignet sind.
Handelsüblich ist beispielsweise folgende, also
Siloxanbasierte Komponente geeignete Verbindung von Wacker AG erhältlich :
Als Härter eignen sich kationische und anionische Härtungska talysatoren, wie beispielsweise organische Salze, wie organi sche Ammonium-, Sulphonium-, Iodonium-, Phosphonium- und/oder Imidazolium-salze und Amine, wie tertiäre Amine, Pyrazole und/oder Imidazol-Verbindungen. Beispielhaft genannt sei hier 4, 5-Dihydroxymethyl-2-phenylimidazol und/oder 2-Phenyl-4- methyl-5-hydroxymethylimidazol . Es können aber auch
oxirangruppenhaltige Verbindungen, wie beispielsweise
Glycidylether als Härter eingesetzt werden. Ebenso gut wie das Basisharz kann auch der Härter alternativ oder ergänzend durch eine Verbindung mit - [ -S1R2-O- ] n-Rückgrat, hier auch Siloxanbasierte Verbindung genannt, teilweise oder ganz er setzt werden.
Im Fall von nicht-homopolymerisierender, beispielsweise addi tionsvernetzenden, Hochpolymeren können bei Raumtemperatur feste Di- oder Trianhydrid (derivate) als Härter zweckmäßig sein, wie z.B. 3 , 3 ' , 4 , 4 ' -Benzophenontetracarboxyldianhydrid (BTDA, CAS-Nr. 2421-28-5) eingesetzt werden. Beispielsweise wird ein PHthalsäureanhydridderivat und/oder ein Polyamin, und/oder ein Produkt der Wacker AG, das Alkyl- und/oder Aryl- und/oder Alkoxy-substituierte Wacker HP 2000 oder HP 2020 sein .
Herkömmlich werden auch Säureanhydride als Härter in den Iso lationsmaterialien erfolgreich eingesetzt. Deren Toxikologie ist jedoch mittlerweile nicht mehr ganz unumstritten. Deshalb werden andere Härter, insbesondere auf Imidazol- und/oder Pyrazolbasis verstärkt eingesetzt.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, den Kohlenstoffbasierten Härter auch ganz oder teilweise durch Siloxanbasierte Härter mit den gleichen Funk tionalitäten zu ersetzen.
Es hat sich herausgestellt, dass im Isolationsstoff, der das gehärtete Basisharz umfasst, ein Verhältnis von Siloxanbasierter, „mit - [ SiR2~0- ] n- Rückgrat"- Verbindung zu kohlenstoffbasierter „mit -[-CRiR2-]n _ Rückgrat" -Verbindung, wie 1:8 bis 1:4 am günstigsten ist, das heißt dass in dem be treffenden Isolationsmaterial die Kohlenwasserstoff-basierten Verbindungen mengenmäßig 4 bis 8 mal mehr vorliegen als die - [SiR2 _0-]n- Rückgrat-enthaltenden Verbindungen. Die Anteile beziehen sich dabei auf die Stöchiometrie, sind also Molpro zente .
Die Siloxan-haltige Komponente liegt also in einer Menge von 10 bis 50 Mol% im Harz-Gemisch und/oder Harz-Härter-Gemisch der Formulierung vor. Insbesondere bevorzugt ist, wenn die Menge an Siloxan-haltiger Komponente im Basisharz nicht mehr als 20 Mol%, insbesondere nicht mehr als 18 Mol% und beson ders bevorzugt nicht mehr als 15 Mol% beträgt.
Man konnte ein Optimum des reduzierten Erosionsvolumens bei einer Substitution der herkömmlichen Harzkomponente von 20- 30% erkennen. Da jedoch mit fortschreitender Substitution die mechanischen Eigenschaften, deutlich an den Glasübergangstem- peraturen und/oder an den Speichermoduln erkennbar, des
Kunststoffes schlechter werden, ist es zielführend, so wenig -[—CH2— ]n _ Rückgrat wie möglich zu substituieren. Bei ca.
20%iger Substitution sind die Glasübergangstemperaturen und die Speichermoduln des resultierenden Harzsystems fast iden tisch mit denen des herkömmlichen, nur - [ -CH2- ] n _Rückgrat umfassenden Harzes.
Die Teilentladungsresistenz des Isolationsstoffes wird durch Vorhandensein einer gewissen Menge an -[SiR2 _0-]n- bildenden Monomeren oder Oligomeren im Basisharz geradezu sprunghaft erhöht .
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Formulierung noch Füllstoff zugesetzt.
Beispielsweise werden eine oder mehrere Fraktionen an Füll stoff eingesetzt. Beispielsweise werden Füllstofffraktionen wie kleiner Glimmerpulver und/oder andere metalloxidische Ke ramiken, wie Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, aber auch Alumi niumnitrite als Füllstoffe eingesetzt.
Die Füllstoffe werden beispielsweise in Partikelkorngrößen fraktionen 1-150 ym, insbesondere von 10 bis 120ym, bevorzugt im Bereich von 30 bis 100 ym eingesetzt, weil dadurch die Teilentladungsresistenz und vor allem auch die Wärmeleitfä higkeit des Isoliersystems erhöht wird.
Beispielsweise werden eine oder mehrere Fraktionen an nano- partikulärem Füllstoff zugesetzt, insbesondere solche, die beispielsweise auf Quarz, Si02, basieren.
Dabei wird nach einer vorteilhaften Ausführungsform der For mulierung zusätzlich ein Additiv, insbesondere ein Sinterad ditiv, beispielsweise basierend auf einer organischen Phos phorverbindung, zugesetzt. Die organische Phosphorverbindung katalysiert das Verschmelzen und/oder Versinterung gleichzei tig vorliegender Si02-Nanopartikel zu glasartigen Bereichen im Harz. Beispielsweise wird dadurch ein glasartiger Bereich als Barriereschicht im Isolationssystem erzeugt.
Bevorzugt liegt in der Formulierung eine Kombination aus dem Sinteradditiv und dem nanopartikulären Füllstoff vor, weil sich dadurch beim Vorhandensein einer elektrischen Entladung verglaste Bereiche im fertigen Duromer ausbilden, die eine besonders gute Isolationswirkung zeigen, bilden. Neueste Aus lagerungen derartiger fertig gehärteter Isolationsstoffe zei gen eine Lebensdauererhöhung um den Faktor 8.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung könnte eine Formulierung wie folgt durch Versprühen zur Herstellung des Isolationssystems appliziert werden:
0,2 bis 1,0 Gew% an organischer Phosphorverbindung, die auch als Gemisch mehrerer Phosphorverbindungen vorliegen kann. 50 bis 65 Gew% an Glimmer in pulverisierter Form, der in ver schiedenen Korngrößen und/oder Kornformen vorliegen kann,
4 bis 10 Gew% Quarz-Nanopartikel , die ebenfalls in verschie denen Fraktionen vorliegen können,
10 bis 25 Gew% Härter, der Anhydrid-frei oder Anhydrid-haltig vorliegen kann,
8 bis 25 Gew% an herkömmlichem, polymerisierbarem Harz auf Kohlenstoff-Basis also ein Polymer mit einem -[-CH2-]- Rückgrat ausbildend und
2 bis 8 Gew% eines polymerisierbaren Harzes auf Siliziumoxid- Basis, das entsprechende Gewichtsanteile des polymerisierba ren Harzes auf Kohlenstoff-Basis ersetzt.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst eine Formu lierung zur Ausbildung eines durch Versprühen herstellbaren Isolationssystems :
0,3 bis 0,7 Gew% einer organischen Phosphorverbindung,
55 bis 60 Gew% Glimmer in pulverisierter Form
5 bis 9 Gew% Quarz-Nanopartikel
12 bis 20 Gew% Härter
10 bis 17 Gew% polymerisierbares Harz auf Kohlenstoff-Basis also ein Polymer mit einem -[ -CH2- ] -Rückgrat ausbildend und 2,5 bis 6 Gew% eines polymerisierbaren Harzes auf
Siliziumoxid-Basis, das entsprechende Gewichtsanteile des polymerisierbaren Harzes auf Kohlenstoff-Basis ersetzt.
Ein konkretes Beispiel für eine derartige Formulierung ist: 0,5 Gew% organische Phosphorverbindung,
58 bis 60 Gew%, insbesondere 59,5 Gew% an Glimmer
8 Gew% Quarz, Si02-Nanopartikel
16 Gew% Methylhexahydrophthalsäureanhydrid, „MHHPA" als Här ter
12,8 Gew% Bisphenol-A-Diglycidylether DGEBA und
3,2 Gew% epoxidiertes Siloxan, z. B. Silres HP1250.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wurde beispielhaft der Epoxidharzanteil sukzessive durch verschie dene Siloxanhaltige Komponenten [1], [2] und [3] stöchiomet- risch ersetzt. Die entstandenen Isolationssysteme Muster 2,3 und 4 wurden zu Testzwecken gezielt und definiert elektri schen Entladungen ausgesetzt. Als Muster 1 wurde ein herkömm liches Isolationssystem ohne -[SiR2 _0-]n- Rückgrat im Harz mit diesen Mustern 2 bis 4 verglichen. Nach einer bestimmten Zeit wurden die erodierten Volumina durch einen Laser abge tastet und so das erodierte Volumen - oder die erodierte Tie fe des Isolationssystems - ausgewertet.
Figur 1 zeigt die Ergebnisse der Tests, also die Reduktion des Erosionsvolumens, visualisiert durch eine Vermessung der Oberflächentopographie mittels Lasertriangulation.
Die Auslagerungsparameter waren bei Raumtemperatur, an Luft, Dauer 100 Stunden, Atmosphäre Luft 50% RH und Spannung lOkV AC . Es hat sich gezeigt, dass bereits bei einer geringen Sub stitution von 20 % der CH2-basierten Harzkomponente, gezeigt am Beispiel des epoxidhaltigen Basisharzes DGEBA, durch ein - [ SiR2-0- ] n-haltiges Monomer eine deutliche Erhöhung der Teil entladungsresistenz erzielt werden kann, was in einem deut lich reduzierten erodierten Volumen resultiert.
In der Figur 1 sieht man oben das Muster 1 mit einem gemäß dem Stand der Technik hergestellten Isolationssystem aus ei nem anhydridisch gehärteten Epoxidharz. Es handelt sich um Testapplikationen der jeweiligen Isolationssysteme, auf einen Leiter appliziert und bei den oben genannten Bedingungen auf ihre Teilentladungsresistenz - beziehungsweise auf das Ausmaß der Zersetzung der Kohlenstoff-basierten Harzanteile in flüchtiges CCy - getestete Ausführungsformen.
In Figur 1 zeigt das Muster 1 den Stand der Technik. Zu er kennen ist mittig ein Kreis 8, die Auflagefläche des metalli schen Leiters darstellend. Daran an schließt ein roter Kreis 3, eine Erosionstiefe von -40 ym bis -80 ym anzeigend, wie die Legende am rechten Rand der Figur 1 zeigt. Den umgibt ein flächiger gelber Kreis 4, eine Erosionstiefe von -30 bis -10 ym anzeigend. An den flächigen gelben Kreis 4 schließt sich ein weißer Kreis 5 an, der eine Null-Erosion anzeigt. Der Kreis 5 hat einen Radius, der die ganze Testfläche des Mus ters 1 innen umgibt und die Kanten 7 des Musters 1 berührt. Mit 6 werden in der Darstellung die Bereiche gekennzeichnet, in denen keine Erosion erfolgte.
Unter dem Vergleichsmuster mit reinem Kohlenstoff-Basierten Harz-Härter-Isolationssystem zeigt die Figur 1 die Muster 2,
3 und 4, die beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung zeigen, die unter den identischen Bedingungen gleichzeitig mit Muster 1 oben getestet wurden.
Die Muster betreffen drei Ausführungsformen der Erfindung, bei denen ein Teil, 20mol%, der Epoxidharz- und/oder
Härterkomponente ersetzt ist: Bei Muster 2 durch
Siloxanhaltige Komponente [1], DGTMS; mittig bei Muster 3 durch Siloxanhaltige Komponente [2], ein mindestens zweifach funktionalisiertes , glycidoxyterminiertes Phenyl-Methyl- Siloxan-Monomer, wie beispielsweise das handelsübliche Pro dukt Silres® der Firma Wacker AG; und rechts bei Muster 4 durch die Siloxanhaltige Komponente [3], Silikoftal®.
Figur 1 zeigt eine durchschnittliche Reduzierung der Erosi onsvolumina durch teilweisen - hier 20% - Ersatz des herkömm lichen Epoxidharzes durch eine Komponente die ein -[SiR2 _0]n- Rückgrat aufweist um ca. den Faktor 9, was einfach sensatio nell ist.
So ist es möglich, auf die herkömmlichen Glimmerbänder zu verzichten und sämtliche oder einige Teile des Isolationssys tems also entweder, IPS, Hauptisolation, AGS und/oder EGS durch Glimmerband-freie Isolationssysteme zu ersetzen und da mit die Applikation von Handarbeit auf automatisiertes Sprü hen umzustellen.
Es gibt nun aber verschiedene Möglichkeiten, den teilentla dungsresistenten Lack aufzusprühen. Bei der Versprühung als Pulverlack liegen das Harz-Gemisch, das Harz-Härter-Gemisch und/oder das Harz-Härter-Beschleuniger-Gemisch bei Raumtempe ratur und/oder unter Normaldruck als Feststoff vor. Beim Auf treffen aufs Substrat, also auf die Teilleiter der Spule, wird das Material wieder thermisch aufgeschmolzen .
Für diese Art der Aufbringung ist eine höhermolekulare, also beispielsweise eine kettenverlängerte, Siloxanhaltige Kompo nente, die bei Raumtemperatur fest ist, sinnvoll. Alternativ oder ergänzend können beispielsweise homopolymerisierende, Siloxanhaltige Epoxide eingesetzt werden, die keine zusätzli chen Härter brauchen. Falls aber ein Härter zugesetzt werden soll, dann ist es vorteilhaft, wenn auch der Härter oder das Härter-Harz Gemisch bei Raumtemperatur und/oder Normaldruck fest ist.
Diese, bei Raumtemperatur fest vorliegenden, als Pulverlack versprühbaren Formulierungen können dann beispielsweise mit tels Wirbelbettsprühen und/oder elektrostatischem Sprühen aufgebracht werden.
Als Härter können folgende bei Raumtemperatur und/oder Nor maldruck feste
a) Di- oder Trianhydride,
- 3 , 3 ' , 4 , 4 ' -Benzophenontetracarboxyldianhydrid, „BTDA",
CAS-Nr. 2421-28-5;
- Pyromellitsäuredianhydrid, „PMDA" CAS-Nr. 89-32-7;
- 3, 3 ' , 4 , 4 ' -Biphenyltetracarboxyldianhydrid „s-BPDA" CAS- Nr. 2420-87-3;
- 2,2 '-Bis- (3, 4-Dicarboxyphenyl) hexafluoropropandianhydrid „6-FDA" CAS-Nr. 1107-00-2;
- 4 , 4 ' -Oxydiphthalsäureanhydrid „ODPA" CAS-Nr. 1823-59-2;
- 3, 3 ' , 4 , 4 Diphenylsulfontetracarboxyldianhydrid „DSDA" CAS-Nr. 2540-99-0;
- 4 , 4 ' -Bisphenol-A-Dianhydrid „BPADA" oder „ULTEM™" Dianhy dride CAS-Nr. 38103-06-9;
- Hydroquinondiphthalsäureanhydrid „HQDEA" CAS-Nr. 17828- 53-4;
- Hexahydrophthalsäureanhydrid „HHPA" CAS-Nr. 85-42-7; - Tetrahydrophthalsäureanhydride Isomere des THPA, CAS-Nr. 2426-02-0 und CAS-Nr. 935-79-5;
- Cyclopentenl , 2-dicarboxylanhydrid CAS-Nr. 3205-94-5;
- cis/trans-Isomere des 1, 2-Cyclopentandicarboxylanhydrids, z. B. CAS-Nr. 35878-28-5. b) di- oder höherfunktionale Amine sowie deren Derivate
beispielsweise :
- 2, 2-Bis- [4- (4-aminophenoxy) phenyl] propan „BAPP" CAS-Nr. 13080-86-9;
4 , 4 ' -Methylendianilin „MDA" CAS-Nr. 101-779;
4 , 4 '-[ 1 , 3-Phenylenbis ( 1-Methyl-ethyliden) ] Bisanilin „Bisa nilin M" CAS-Nr. 2687-27-6;
- 4 , 4 ' - [ 1 , 4-Phenylenbis (1-Methyl-ethyliden) JBisanilin
„Bisanilin P" CAS-Nr. 2716-10-1)
- 4, 4 '-Oxydianilin „4, 4 '-ODA" CAS-Nr. 101-80-4;
- 3, 4 '-Oxydianilin „3, 4 '-ODA" CAS-Nr. 2657-87-6;
- 2 , 2 ' -Dimehtyl-4 , 4 ' -diaminobiphenyl „m-Tolidin" CAS-Nr.
84-67-3;
- 3, 3 ' -Dimethyl-4 , 4' diaminobiphenyl „o-Tolidin" CAS-Nr.
119-93-7;
- 3, 3 ' -Dihydroxy-4 , 4 ' -diamino-biphenyl „HAB" CAS-Nr. 2373- 98-0;
- 3, 3 ' -Diaminodiphenylsulfon „3,3'-DDS" CAS-Nr. 599-61-1;
- 4 , 4 ' -Diaminodiphenylsulfon „4,4'-DDS" CAS-Nr. 80-08-0;
- 2, 2 '-Bis [4- (4-aminophenoxy) phenyl] sulfon „BAPS" CAS-Nr.
13080-89-2;
- 2, 2 '-Bis [4- (3-aminophenoxy) benzol] „m-BAPS" CAS-Nr.
30203-11-3;
1, 4-Bis (4-aminophenoxy) benzol „TPE-Q" CAS-Nr. 3491-12-1; 1, 3-Bis (4-aminophenoxy) benzol „TPE-R" CAS-Nr. 2479-46-1;
1 , 3 -Bis ( 3-aminophenoxy) benzol „APB-133" CAS-Nr. 10526- 07-5;
- 4, 4 '-Bis (4-aminophenoxy) biphenyl „BAPB" CAS-Nr. 13080-85-
8;
- 4 , 4 ' -Diaminobenzanilid „DABA" CAS-Nr. 785-30-8;
9, 9 '-Bis (4-aminophenyl) fluoren „FDA" CAS-Nr. 15499-84-0;
- O-Tolidinsulfon „TSN" CAS-Nr. 71226-58-9; - Methylenbis (anthranilsäure) „MBAA" CAS-Nr. 7330-46-3;
1, 3 '-Bis (4-aminophenoxy) -2.2-dimethylpropan „DANPG" CAS- Nr. 115570-52-0 sowie deren Derivate eingesetzt werden.
Außerdem können hochschmelzende Isocyanate, Esterimide, Etherimide, Esteramide eingesetzt werden.
Der Vorteil der festen Anhydrid- und insbesondere
Aminderivaten als Härter ist, dass durch vorhergehendes, ins besondere einmaliges, Aufschmelzen mit einem bei Raumtempera tur und/oder Normaldruck und/oder Normalbedingungen festen Epoxidharz und/oder Siloxanepoxidharz eine homogen erstarren de Schmelze vorliegt. Eine so erhaltene erstarrte Schmelze kann umgehend oder nach Lagerung wieder pulverisiert werden, ist stöchiometrisch einfach zu vermischen und bestmöglich vermengt erhaltbar. Beim Versprühen und beim Auftreffen auf die heiße Metalloberfläche schmilzt das - beispielsweise - aus der erstarrten Schmelze hergestellte Pulver wieder und beginnt unverzüglich zu vernetzen.
Insbesondere die genannten Aminderivate benötigen dann auch keine langanhaltenden Ofenaushärteperioden mehr, sondern nur noch kurz-segmentige Nachhärtephasen bei bedeutend niedrige ren Temperaturen.
Alternativ oder ergänzend zur Versprühung als Pulverlack kann auch ein flüssiger Lack, also das Harz-Härter System in flüs siger Form oder in einem Lösungsmittel gelöst, versprüht wer den. Diese Versprühung kann unter Einsatz von Druckluft oder ohne Druckluft erfolgen.
Der klar auf der Hand liegende Vorteil bei Versprühen mit Lö sungsmittel ist der, dass die Viskosität des Harz-Härter- Gemisches deutlich ansteigt, wenn das Lösemittel verdampft. Das bedeutet, dass wenn das Harz-Härter-Gemisch auf eine hei- ße Metalloberfläche gesprüht wurde, dessen Viskosität so an steigt, dass es nicht mehr verlaufen kann.
Andererseits erfordert das Versprühen Lösungsmittel-haltiger Gemische Wartezeiten zwischen zwei aufeinanderfolgenden Auf bringungen, damit ausgeschlossen werden kann, dass sich in einer unteren Schicht noch Lösungsmittel befindet. Dies ins besondere deshalb, weil Lösungsmittel in einer unteren
Schicht beim Aushärten unter erhöhter Temperatur zur Poren bildung führen würde, in denen dann beim Betrieb elektrische Entladungen zu befürchten sind.
Beim Versprühen ohne Lösungsmittel wären keine Wartezeiten nötig und es könnten relativ schnell mehrere Lagen übereinan der gesprüht werden, bis die gewünschte Isolationsdicke er reicht ist. Ohne Lösungsmittel wird auch kein niedermolekula rer Bestandteil beim Aufheizen des Isolationssystems ausga sen, wodurch ein porenfreies Isolationssystem herstellbar ist. Damit trotzdem eine Erhöhung der Viskosität des gesprüh ten Harz-Härter-Systems nach der Versprühung resultiert, wird vorgeschlagen, das versprühte Harz-Härter-System beim Auf treffen auf die zu beschichtende Oberfläche mittels UV- und/oder IR-Härtung an-zu-gelieren .
Ob mit oder ohne Lösungsmittel wird der aufgesprühte Lack schließlich zur Fertigstellung noch einer Nachhärtung unter zogen, die thermisch und/oder über Bestrahlung erfolgen kann.
Eine gesprühte Lage des Isolationssystems hat eine Dicke im Bereich von 50ym bis 150ym, bevorzugt 50ym bis 130 ym und insbesondere bevorzugt von 70ym bis 120ym.
Bei elektrischen rotierenden Maschinen, wie sie im Fokus der vorliegenden Erfindung stehen, werden Isolationsdicken im Be reich von 700ym bis hin zu etwa 6mm Isolationsdicke benötigt, so dass die gesprühten Isolationssysteme immer in mehreren Lagen aufzubringen sind. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist dabei in der versprühbaren Formulierung zumindest eine poly merisierbare Komponente, ein Harz-Härter-System umfassend, sowie ein oder mehrere Füllstoffe enthalten.
Als polymerisierbare Komponente wird ein Gemisch aus zumin dest einer ein - [ SiR2-0- ] n-haltiges Rückgrat und einer ein - [ -CH2- ] n _haltiges Rückgrat enthaltenden Verbindung verstan den .
Insbesondere ist die polymerisierbare Komponente ausgewählt aus Duroplasten und/oder Thermoplasten.
Als Lösungsmittel kann in der versprühbaren flüssigen Formu lierung insbesondere 2-Butanon, Aceton und/oder 1-Butanol, enthalten sein.
Durch die Verwendung von feinem Glimmer als Füllstoff ergibt sich hierbei der Vorteil, dass die daraus gebildeten Partikel eine verhältnismäßig geringe Abrasivität aufweisen und sie deshalb einfach in Form einer Partikel-Lack-Suspension mit tels einer Düse auf einen Leiter aufgesprüht werden können, um ein Isolationssystem zu erhalten.
Eine gesprühte Formulierung, sei es als Pulverlack oder als eine flüssige Formulierung mit oder ohne Lösungsmittel, ins besondere zur Herstellung der Hauptisolation, ermöglicht eine teil- oder vollautomatisierte Herstellung des Isolationssys tems auch von individuell an die jeweilige Maschine angepass ten Isolationssystemen.
Desweiteren ermöglicht die Sprühtechnologie eine Erhöhung der Leistungsdichte von elektrisch rotierenden Maschinen, unter der Annahme, dass das gesprühte Isolationssystem die gleiche elektrische Lebensdauer aufweist, wie ein konventionelles Isolationssystem mit Glimmschutzband, Bandkleber, Bandbe schleuniger, unter Umständen per Hand applizierter Umwicke- lung, danach Harzimprägnierung, gegebenenfalls im Vakuum und Schlussendlicher Harz-Durchhärtung .
Der Grund dafür liegt in der resultierenden Isolationsgeomet rie, die zwangsläufig entsteht, wenn ein Band um ein Vier kantprofil eines Leiters 13, wie beispielsweise bei der Lage der Leiter in Figuren 2 und 3 beispielhaft betrachteten
Blechpaket 12, gewickelt wird.
Die Figuren 2 und 3 zeigen dazu
Figur 2 den Stand der Technik mit Glimmerbandisolierung, die um den Leiter gewickelt ist und
Figur 3 die Sprühisolierung, die als versprühbare Formulie rung aufgebracht wird.
Figur 2 zeigt den Stand der Technik, das herkömmlich einge setzte gewickelte Isolationssystem 11 um das Vierkantprofil des Leiters 13, beispielsweise einem Kupferleiter, im Blech paket 12. Hier wird im Detail gezeigt, wie an den Kanten 14 die Wicklungsdicke 15 geringer ist als die Wicklung 15' auf der flachen Seite. Dies ist eine einfache Folge der Wicklung
15, die einfach an den Kanten 14 enger anliegt als an den flachen Seiten 16. Beispielsweise wird an der Kante 14 eine Wicklungsdicke 15 von 2,2mm gemessen wohingegen an der fla chen Seite 16 eine Wicklungsdicke 15 von 2,7 mm messbar ist.
Nun ist aber naturgemäß die elektrische Feldstärke an Krüm mungen und insbesondere an Kanten 14 stets deutlich höher als an flachen Bauteilen oder Bereichen, wie der flachen Seite
16. Es konnte gezeigt werden, dass in 95% aller elektrischen Durchschläge eines Isolationssystems, insbesondere bei erhöh ten Spannungen, die Isolation am Stabradius, also im hier ge zeigten Beispiel an der Kante 14, durchschlägt. Dies bedeu tet, dass sinnvollerweise ein Isolationssystem so ausgelegt sein sollte, dass es an der Kante 14 die Isolationsdicke auf weist, die der erwarteten Lebensdauer entspricht. Beim hier gezeigten Stand der Technik bedeutet das ganz klar, dass die anderen, insbesondere die flachen Bereiche viel dicker sein müssen als elektrisch erforderlich. Dadurch entstehen unnütze Materialkosten, Bauteilvolumina, unnötige Behinderung der thermischen Entwärmung, Reduzierung der Leistungsdichte und im ganzen eine Verschlechterung der Maschine.
Figur 3 zeigt im Gegensatz dazu das aufgesprühte Isolations system gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Zu er kennen ist wieder das Vierkantprofil 13 des Leiters aller dings nicht mehr das gewickelte, sondern das gemäß der Erfin dung gesprühte Isolationssystem 11 in dem Blechpaket 12.
Durch die spezielle Technik des Versprühens ist es möglich, wie in Figur 3 gezeigt, die Isolationsdicken 15 an den Kanten 14 zu erhöhen und dafür beispielsweise Material an den fla chen Seiten 16 einzusparen. So können beispielsweise an den Kanten 14 Isolationsdicken 15 von 2,4 mm mühelos durch Ver sprühen realisiert werden, wobei gleichzeitig an den flachen Seiten 16 die Isolationsdicke 15' gemäß der geringeren elekt rischen Durchschlagswahrscheinlichkeit beispielsweise auf 2,2 mm reduzierbar ist.
Durch die Reduzierung der Isolationsdicke 15' an den flachen Seiten 16 ist es jedoch möglich, die Dicke 18 des Leiters 13 und damit die Stromstärke des Leiters 13 deutlich, um mehr als 8% im gezeigten Beispiel, um 8,3 % zu erhöhen. Bei einer Gesamtstärke 17 des mit dem gesprühten oder mit Wicklung her gestellten Isoliersystems 11 isolierten Leiters 13 im Blech paket 12 von beispielsweise 17,4 mm, kann nach dem Stand der Technik, also Figur 2, der Leiter 13 eine maximale Breite 18 von 12 mm einnehmen, wohingegen er gemäß der Erfindung, wie in Figur 3 gezeigt, bis zu einem mm mehr Breite, also eine Breite 18 von 13 mm aufweisen kann. Ein derart vergrößerter Leiter 13 kann natürlich auch andere Strommengen transportie ren. Durch die versprühbare Isolation insbesondere auch
Hauptisolation lassen sich demnach ganz deutliche Leistungs steigerungen von elektrischen rotierenden Maschinen erzeugen. Der Vergleich der gewickelten und gesprühten Isolation zeigt entsprechend eine deutliche Leistungsoptimierung durch die versprühbare Isolation bei einer elektrischen rotierenden Ma schine .
Die Erfindung offenbart erstmals eine versprühbare Formulie rung zur Herstellung eines Isolationssystems für eine elekt rische Maschine, insbesondere eine rotierende elektrische Ma schine des Hochspannungs- oder Mittelspannungsbereichs wie beispielsweise ein Generator und/oder Motor, die höheren Be messungsspannungen bei Betriebsspannungen, also beispielswei se ab 1 kV oder mehr ausgesetzt sind, sowie das daraus her stellbare Isolationssystem. Das Verfahren zur Herstellung des Isolationssystems umfasst ein Versprühen und ist dadurch automatisierbar.

Claims

Patentansprüche
1. Versprühbare Formulierung für ein Isolationssystem einer elektrischen Maschine, insbesondere einer rotierenden elekt rischen Maschine des Hochspannungs- oder Mittelspannungsbe reichs wie beispielsweise ein Generator und/oder ein Motor die höheren Bemessungsspannungen bei Betriebsspannungen, also beispielsweise ab 1 kV oder mehr ausgesetzt ist, wobei die Formulierung ein versprühbares Harz-Gemisch aufweist, das ne ben einer monomeren und/oder oligomeren, mindestens
diepoxidischen Kohlenstoff-basierten Harz-Komponente noch ei ne monomere und/oder oligomere Harz-Komponente auf Alkyl- /Aryl-Polysiloxanbasis mit mindestens einer, bevorzugt zwei oder mehr Gycidylester- und/oder
Glycidyletherfunktionalitäten und gegebenenfalls noch eine oder mehrere, als Härter einsetzbare, Verbindungen auf Anhyd rid- und/oder ( Poly) Aminbasis und/oder amino- und/oder alkoxyfunktionaler Alkyl-/Aryl-Polysiloxanbasis, umfasst.
2. Formulierung nach Anspruch 1, die als Pulverlack
versprühbar ist, also bei Raumtemperatur und/oder Normaldruck als Feststoff vorliegt.
3. Formulierung nach Anspruch 1, die bei Raumtemperatur und/oder Normaldruck flüssig vorliegt.
4. Formulierung nach Anspruch 3, die Lösungsmittel umfasst.
5. Formulierung nach Anspruch 3, die Lösungsmittelfrei ist.
6. Formulierung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die als Harz-Härter-Gemisch vorliegt.
7. Formulierung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die als Härter ein Di- und/oder Trianhydrid und/oder ein oder mehrere Derivate davon umfasst.
8. Formulierung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die als Härter ein di- und/oder höherfunktionales Amin und/oder ein oder mehrere Derivate davon umfasst.
9. Formulierung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die eine oder mehrere Füllstofffraktion (en) umfasst.
10. Formulierung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die eine oder mehrere nanopartikuläre Füllstofffraktion (en) und zumindest ein Additiv umfasst.
11. Formulierung nach Anspruch 10, wobei zumindest ein Addi tiv vorgesehen ist, durch das bei elektrischen Teilentladun gen eine zumindest teilweise Versinterung der Nanopartikel zu einer Barriereschicht erfolgt.
12. Elektrische rotierende Maschine, einen Leiter (13), ein Blechpaket (12), ein Isolationssystem, eine Hauptisolie rungill), eine Innenpotentialsteuerung, einen Außenglimm schutz und/oder einen Endenglimmschutz umfassend, wobei das Isolationssystem zumindest zum Teil durch ein oder mehrmali ges Versprühen einer Formulierung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auf einen Leiter (13) und nachfolgende Aushärtung er hältlich ist.
13. Verfahren zur Herstellung eines Isolationssystems einer elektrischen rotierenden Maschine unter Verwendung einer For mulierung nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
14. Verfahren zur Herstellung eines Isolationssystems einer elektrischen rotierenden Maschine, folgende Verfahrensschrit te umfassend:
a) - Herstellen einer Formulierung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
b) - Versprühen der Formulierung auf einen Leiter (13), c) - Trocknen und/oder Angelierung der Formulierung auf dem Leiter (13) , d) - ein- oder mehrmalige Wiederholung der Verfahrensschritte b) und c) sowie
e) - Aushärten der Formulierung zur Ausbildung der Isolation.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, mit einem zwischen die Prozessschritte c) und d) geschalteten Verfah rensschritt zum Austreiben des Lösungsmittels umfassend.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, das zumin- dest zum Teil automatisierbar ist.
17. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 13 bis
16, das zumindest zum Teil automatisiert durchgeführt wird.
18. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 13 bis
17, bei dem die Verfahrensschritte b) bis d) automatisiert durchgeführt werden.
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