EP3729470A1 - Isolation, elektrische maschine und verfahren zur herstellung der isolation - Google Patents

Isolation, elektrische maschine und verfahren zur herstellung der isolation

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Publication number
EP3729470A1
EP3729470A1 EP19706910.7A EP19706910A EP3729470A1 EP 3729470 A1 EP3729470 A1 EP 3729470A1 EP 19706910 A EP19706910 A EP 19706910A EP 3729470 A1 EP3729470 A1 EP 3729470A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
insulation
layer
resin
paint
spraying
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP19706910.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen Huber
Steffen Lang
Niels Müller
Igor Ritberg
Matthias ÜBLER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Innomotics GmbH
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP3729470A1 publication Critical patent/EP3729470A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/32—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation
    • H02K3/40—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation for high voltage, e.g. affording protection against corona discharges
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B3/00—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties
    • H01B3/18—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances
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    • H02K15/00—Processes or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/10—Applying solid insulation to windings, stators or rotors, e.g. applying insulating tapes
    • H02K15/105—Applying solid insulation to windings, stators or rotors, e.g. applying insulating tapes to the windings
    • H—ELECTRICITY
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/30—Windings characterised by the insulating material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L63/00—Compositions of epoxy resins; Compositions of derivatives of epoxy resins

Definitions

  • the invention discloses for the first time a sprayable formulation for producing a multilayer insulation for an electric machine, in particular a rotating electrical machine of the high voltage or medium voltage range such as a generator, transformer, the higher rated voltages at operating voltages, that is, for example, from 1 kV or more are exposed. Moreover, the invention relates to an electrical machine comprising such insulation, finally, the invention relates to a method for producing the multilayer insulation.
  • 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, ie the electrical coil, which are pressed together to form so-called verröbelten rods, if appropriate, applied to the rods mecanicalsteue- tion, IPS, the main insulation and then the outside corona shielding, AGS and possibly an end corona protection.
  • 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 that are wound, as a rule, consist of glued mica platelets, which in the insulation are used to extend the erosion path in the insulation system, ie the direct path from the high voltage side, so the Lei tern, towards the grounded laminated core, resulting in 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 to overcome the disadvantages of a winding tape insulation and the cost of producing an insulation system for a ro animal electrical machine of the high voltage or medium voltage range such as a generator, Trans formator, a bushing and / or a cable, the higher rated voltages at operating voltages, so example, from 1 kV or more, are exposed to lower.
  • the subject of the present invention ei ne insulation of a conductor of an electrical rotating machine Ma, characterized in that the insulation comprises two or more layers which can be produced by sprayable paint formulations includes, wherein at least one mechanically bearing paint layer with a partial discharge resistant Paint layer to form adjacent layers of insulation.
  • the lacquer layers can be sprayed on by means of a powder coating process, which is designed, for example, electrostatically.
  • a powder coating process which is designed, for example, electrostatically.
  • the thickness of this electrically chargeable boundary layer, the "interface" can also be only a few atomic layers thick, so that the technology of electrostatic powder coating spraying works again.
  • a partially discharge-resistant paint formulation contains at least one sprayable resin mixture with a monomeric and / or oligomeric resin component
  • Silicon oxide, siloxane and / or silazane base or on the basis of other, above-mentioned partial discharge resistant Lackfor formulations are part of a sprayable formulation according to the invention.
  • the invention is an electrical rota-generating machine with such insulation and finally, the subject of the invention is a method for producing an insulation for an electric rotating machine, by spraying a solid powder coating, a liquid solvent-containing paint and / or a liquid solvent-free paint ,
  • the Formu lation further includes fillers that are so small that they can be applied by a spray nozzle.
  • At least one deemedtladungsre-resistant resin mixture or resin-hardener mixture is sprayed onto the conductor to be insulated for the preparation of the insulation.
  • Partial discharge resistant resins and resin blends are at play as those in which the polymeric component is a component having a - [SZR2-O-] n - and / or - [-S1-NR 3 -] n - backbone as a minor component of the resin mixture, and / or resin-hardener mixture, that is less than 50 mol%, in particular less than 40 mol%, and more preferably less than 30 mol% of the polymerizable resin mixture and / or resin-hardener mixture is present.
  • a mixture is provided as the resin mixture and / or resin hardener mixture for the insulation, in which at least a portion of the finished insulation to a thermosetting resin mixture and / or resin-hardener mixture is a siloxane and / or silazane-containing compound forming a - [SiR 2 _ 0] n and / or a - [-S 1 NR 3 -] n backbone in the duromer.
  • R stands for hydrogen and / or all types of organic radicals which, for curing and / or crosslinking, become NEM suitable for an insulation system insulation material eig NEN.
  • R represents -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.
  • Aromaticity 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.
  • the - [SiR 2 _ 0] n - / - [- Si NR3-] n - backbone has, at least one of the polymerisa- tion functionalized monomeric or oligomeric resin component with a carbon - ie - [-CR2-] n-units comprising backbone.
  • R is -hydrogen, -aryl, -alkyl, -heterocycles, nitrogen, oxygen and / or sulfur-substituted aryls and / or alkyls.
  • epoxy-functionalized components such as
  • Bisphenol F diglycidyl ether BFDGE or bisphenol A diglycidyl ether (BADGE), polyurethane and blends. Preference is given to epoxy resins based on bisphenol F diglycidyl ether (BFDGE), bisphenol A diglycidyl ether (BADGE) or mixtures thereof.
  • the monomer or oligomeric component functionalized for polymerization which has a - [SiR 2 _ 0] n - and / or - [-S 1 -NR 3 -] n - backbone has one or more,
  • Suitable monomerically or oligomerically functionalized monomeric components which have a - [SiR 2 -O-] n - and / or - [- S1-NR 3 -] n - backbone are glycidyl-based and / or epoxy-terminated aryl and / or alkyl siloxanes, such as glycidoxy functionalized, in particular
  • glycidoxy-terminated siloxanes For example, a siloxane such as 1,3-bis (3-glycidyl-oxypropyl) tetramethyldisiloxane, DGTMS, and / or glycidoxy-terminated phenyl-dimethylsiloxane and / or phenyl-methyl-siloxane in monomeric and / or oligomeric form is suitable. as in any mixtures and / or in the form of derivatives.
  • One of these already tested components is commercially available as "Silres® HP® 1250®. It has been found 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 base resin and the curing agent can alternatively or additionally by a compound having - [-S1R 2 -O-] n _ and / or - [-S1-NR 3 -] n - backbone, also referred to as Siloxane compound here, partially or completely replaced.
  • homopolymerizing high polymers may at room temperature solid di- or trianhydride (derivatives) be useful as a hardener, such as. 3, 3 ', 4, 4' - benzophenone tetracarboxylic dianhydride (BTDA, CAS No. 2421-28-5)
  • BTDA room temperature solid di- or trianhydride
  • the carbon-based hardener is also partially or completely replaced by siloxane-based hardeners with the same funcionalities.
  • the insulation preferably has a ratio of deemedtladungsresisitentem resin, so silica, silazane and / or Siloxanbasierter, "with - [SiR 2 _ 0-] n - and / or - [-S1-NR3 ] n - backbone "- connection to mechanically carrying resin, so carbon-based resin is present in which the mechanically load-bearing resin dominated al so more than 50% by weight and / or more than 50% by volume and / or more than 50 mol% makes ,
  • partial discharge-resistant resin so silica, silazane and / or Siloxanbasierter, "with - [SiR 2 _ 0-] n - and / or - [- Si-NR3] n - -Rückgrat” - Bonding to mechanically-bearing resin, ie carbon-based resin "with - [- CR2-] n _ backbone” compound, such as 1: 8 to 1: 4, that is, in the relevant insulation, the hydrocarbon-based compounds in terms of volume 4 to 8 times more than the partially discharge-resistant resin components, which preferably at least partially have a silicon-based backbone.
  • the shares mentioned here last relate to the stoichiometry, ie are mole percentages.
  • the siloxane and / or silazane-containing component or com ponent based on silica is therefore present in an amount of 10 to 50 mol% in the resin mixture and / or resin-hardener mixture of the formulation.
  • the amount of siloxane-containing component in the base resin is no longer is 20 mol%, in particular not more than 18 mol% and FITS preferably not more than 15 mol%.
  • the partial discharge resistance of the insulating substance is virtually erratic due to the presence of a known amount of - [SiR 2 -O-] n - and / or a - [-S 1 NR 3] n - bil Denden monomers or oligomers in the base resin elevated.
  • layers with at least partially different Formu lierungen can be achieved, for example, that a layer is sprayed with a particularly semi-discharge resistant formulation and the adjacent layers of a formulation that shows good mechanical properties, so it is achieved that the sprayed insulation comprising several different layers is neither too brittle nor too elastic.
  • a layer of a very partially discharge-resistant formulation may be combined only very thinly with adjacent layers of less partially-discharge-resistant, but more elastic formulations.
  • two different formulations can be sprayed to form alternating layers in the insulation.
  • a powder coating spraying is provided, for example, that a thicker layer - for example in the range of lOOym, preferably 150ym up to about 300ym - from a mechanically stable formulation with a thinner, smaller lOOym, preferably smaller than 70ym, completely preferably a layer with a layer thickness in the Nanome ter Scheme, for example, a siloxane and / or
  • Silazane-containing formulation are sprayed on.
  • an electrostatic powder coating atomization adheres to an insulating layer, can be provided as "interface" so as a boundary layer between two layers, a thinnest, lying in the atomic region, so only a few atomic layers thick, metalli cal layer, the charge on an electrostatic charge
  • an interface layer can be produced by sputtering or CVD, chemical vapor deposition or the like.
  • FIG. 1 shows a possible sequence of layers of an insulation produced according to an embodiment of the invention in which complete layers are applied in layers, the so-called “onion insulation” around a conductor.
  • Figure 2 shows, in contrast, the possible sequence of layers egg ner other embodiment according to the invention, in which not every layer is completely sprayed around the head around and applied, but in cross-section, so-called tes shed isolation image results.
  • Figure 1 shows from top to bottom, the thin layer 1 (green ge distinguished) a layer of partially discharge resistant resin, such as a - [SiR 2 -0-] n - and / or a - [- S1-NR 3 -] n - Backbone forming polymer.
  • This thin layer 1 can be a Layer thickness in the nanometer range or a few microns ha ben.
  • a thicker layer 2 of a mechanically stabi lem resin such as a carbon-based resin, so for example, an epoxy resin, which can be considerably thicker, so possibly up to 200m or in extreme cases up to 300ym thick.
  • This thicker layer forms for example the mechanically bearing layer of insulation.
  • the conductor 3 for example a copper rod 3, can still be seen.
  • FIG. 2 shows the so-called flake structure of the insulation.
  • ei ne lacquer layer is not as a completely covering layer on the un direct position, but as a scale, so only a sectionbe rich a lacquer layer of other parts or scales of the situation separated by the mechanically bearing lacquer layer, at the same distance of the equipotential equipotential.
  • the different layers are not sprayed on the entire surface at the end of the scale, but in the way that the partially-discharge-resistant layer is not sprayed over the entire surface.
  • the type of interruptions is arbitrary. For example, a helix structure is conceivable in which sprayed beyond the rod length of the conductor 3 and this but it rotates about its own axis. Or also that a slotted template is applied in front of the conductor 3, is sprayed through it. This would create large scale scale structures, depending on the template recesses.
  • the background of the non-full-area application of the partial release-resistant layer is to create a so-called continuous phase which arises from the mechanically bearing layer. Due to the fact that the individual layers that are mechanically traceable touch each other in the radial direction, that is transversely to the upper surface of the conductor 3, this ensures that the mechanical properties of this layer also dominate in the radial direction.
  • This application of the layers ie the design of the shed, is similar to the conventional winding tape insulation.
  • the mica platelets of the partially discharge-resistant layer which is applied in the form of dandruff.
  • the impregnating resin is then, as it were, the mechanically bearing resin layer which forms a bedding matrix for the flakes.
  • the partial discharge resistant flakes of the sprayed insulation have over the Mica platelets have the obvious advantage that they can be adapted variably in geometry to the respective local conditions freely and automatable.
  • the spray paint as a powder, wherein a solid mixture is sprayed and the second the spray as a liquid, which is sprayed either with or without solvent.
  • the resin mixture, the resin-hardener mixture and / or the resin-hardener-accelerator mixture are present as solid at room temperature and / or under normal pressure.
  • the material is either thermally melted and / or discharged electrostatically.
  • 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
  • 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 obtained in this way can be powdered again immediately or after storage, is stoichiometrically easy to mix and best possible ver 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 sprayed-on lacquer is finally subjected to a post-curing, which can take place thermally and / or by irradiation, under the conditions of completion.
  • a sprayed layer of the insulation system has a thickness in the nanometer range up to a few microns and / or from 50ym to 300ym, preferably 50 to 130 ym and most preferably from 70 to 120 ym.
  • 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 - and / or - [-S1-NR3] n - halti saturated backbone and a - [-CH 2] n _ containing Understood backbone ent holding compound.
  • the polymerisable component is selected from thermosets and / or thermoplastics.
  • dimethylformamide, 2-butanone, acetone and / or 1-butanol may be present as the solvent in the sprayable liquid formulation.
  • fine-grained mica as a filler results in the advantage that the resulting Particles have a relatively low abrasiveness and therefore they can be simply sprayed in the form of a particle-paint suspension by means of a nozzle on a conductor to obtain an insulation system.
  • 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, such as a conventional insulation system with corona protection band tape adhesive Bandeb schreiber, possibly applied by hand Umwicke treatment, then resin impregnation, optionally in vacuo and final resin cure.
  • Figure 3 shows the state of the art with mica tape insulation wound around the conductor
  • Figure 4 shows the spray insulation applied as a sprayable formulation.
  • Figure 3 shows the state of the art, which was traditionally set wound insulation system 11 to the square profile of the conductor 13, for example, a copper conductor, package 12 in sheet metal.
  • the winding thickness 15 is less than the winding 15 'on the flat side. This is a simple consequence of the winding 15 which simply rests more closely against the edges 14 than at the edges flat sides 16.
  • a winding thickness 15 of 2.2 mm is measured at the edge 14, whereas on 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
  • it can have up to one mm more width, that is to say a width 18 of 13 mm.
  • such an enlarged conductor 13 can also transport other quantities of electricity.
  • the invention discloses for the first time a sprayable formulation for producing a multilayer insulation for an electric machine, in particular a rotating electrical machine of the high voltage or medium voltage range such as a generator, transformer, the higher rated voltages at operating voltages, that is, for example, from 1 kV or more are exposed. Moreover, the invention relates to an electrical machine comprising such insulation, finally, the invention relates to a method for producing the multilayer insulation. This comprises spraying various formulations with or without intervening, in particular metallic, interfaces and can be automated.

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Abstract

Die Erfindung offenbart erstmals eine versprühbare Formulierung zur Herstellung einer mehrlagigen Isolation für eine elektrische Maschine, insbesondere eine rotierende elektrische Maschine des Hochspannungs- oder Mittelspannungsbereichs wie beispielsweise ein Generator, Transformator, die höheren Bemessungsspannungen bei Betriebsspannungen, also beispielsweise ab 1 kV oder mehr ausgesetzt sind. Außerdem betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine, die eine derartige Isolation umfasst, schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der mehrlagigen Isolation. Dieses umfasst Versprühen verschiedener Formulierungen mit oder ohne zwischen liegenden, insbesondere metallischen, Interfaces und ist automatisierbar.

Description

Beschreibung
Isolation, elektrische Maschine und Verfahren zur Herstellung der Isolation
Die Erfindung offenbart erstmals eine versprühbare Formulie rung zur Herstellung einer mehrlagigen Isolation für eine elektrische Maschine, insbesondere eine rotierende elektri sche Maschine des Hochspannungs- oder Mittelspannungsbereichs wie beispielsweise ein Generator, Transformator, die höheren Bemessungsspannungen bei Betriebsspannungen, also beispiels weise ab 1 kV oder mehr ausgesetzt sind. Außerdem betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine, die eine derartige Isolation umfasst, schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der mehrlagigen Isolation.
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 Nachteile einer Wickelbandisolierung zu überwinden und die Kosten der Herstellung eines Isolationssystems für eine ro tierende elektrische Maschine des Hochspannungs- oder Mittel spannungsbereichs wie beispielsweise einem Generator, Trans formator, eine Durchführung und/oder ein Kabel, die höheren Bemessungsspannungen bei Betriebsspannungen, also beispiels weise ab 1 kV oder mehr, ausgesetzt sind, zu senken.
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 Isolation eines Leiters einer elektrischen rotierenden Ma schine, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolation zwei oder mehrere Lagen, die durch versprühbare Lack-Formulierungen herstellbar sind, umfasst, wobei zumindest eine mechanisch tragende Lack-Lage mit einer teilentladungsresistenten Lack- Lage aneinander angrenzende Lagen der Isolation bilden.
Als „Aneinandergrenzen" wird vorliegend bezeichnet, dass die beiden Lagen oder Schichten, aus einer mechanisch tragenden Lackformulierung einerseits und aus einer teilentladungsre sistenten Lachformulierung andererseits, benachbart sind, wo bei nicht unbedingt Voraussetzung ist, dass sie eine gemein same Grenzfläche bilden.
Vielmehr ist im Sinne der Erfindung auch möglich, dass die Lacklagen über ein Pulverlack-Verfahren aufsprühbar sind, das beispielsweise elektrostatisch ausgelegt ist. Dafür wäre es aber mit steigender radialer Entfernung der aufzusprühenden Lacklage schwieriger, die Spannung auf die Unterlagen anzule- gen, die der elektrostatisch versprühbare Pulverlack braucht. Deshalb ist es nach einer Ausführungsform vorgesehen, eine dünnste, elektrisch leitfähige Grenzschicht auf eine bereits gesprühte und getrocknete Lage durch Besputterung, Chemical Vapor Deposition etc. aufzubringen. Die Dicke dieser elekt risch aufladbaren Grenzschicht, das „Interface" kann auch nur wenige Atomlagen dick sein, damit die Technik des elektrosta tischen Pulverlack-Sprühens wieder funktioniert.
Beispielsweise enthält eine teilentladungsresistente Lack- Formulierung zumindest ein versprühbares Harz-Gemisch mit ei ner monomeren und/oder oligomeren Harz-Komponente auf
Siliziumoxid-, Siloxan-, Silazan-, Vinyl-, Silan/Vinyl-, Silan/Acrylat-, und/oder Silan/Methacrylatbasis und/oder sonstige Lack-Formulierungen mit hohem anorganischen und/oder mineralischem Anteil.
Daneben gibt es noch eine oder mehrere, als Härter einsetzba- re, Verbindungen, die auf Kohlenstoffbasis und/oder auf
Siliziumoxid-, Siloxan- und/oder Silazanbasis oder auf Basis sonstiger, oben genannter teilentladungsresistenter Lackfor mulierungen sind, die Teil einer versprühbaren Formulierung im Sinne der Erfindung ergeben.
Außerdem ist Gegenstand der Erfindung eine elektrische rotie rende Maschine mit einer derartigen Isolation und schließlich ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Isolation für eine elektrische rotierende Maschine, durch Versprühen eines festen Pulverlacks, eines flüssigen lösungsmittelhaltigen Lacks und/oder eines flüssigen lösungs mittelfreien Lacks.
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 kleineren Glimmerpulver erhöht wird, wenn zumindest ein Teil des Harzes durch eine teilentladungsresistente Kom ponente wie eine auf Siloxan- und/oder Silazanbasis , die al so ein -[SiR2 _0-]n- und/oder ein - [ -S1-NR3-] n- Rückgrat auf weist, ausgetauscht wird. So kann auf den Einsatz der zum Band verklebten Glimmerplättchen verzichtet und das Isolati onsmaterial in Form einer versprühbaren Lösung formuliert und hergestellt werden.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Formu lierung des Weiteren noch Füllstoffe, die so klein sind, dass sie durch eine Sprühdüse applizierbar sind.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird zur Herstellung der Isolation zumindest ein teilentladungsre sistentes Harz-Gemisch oder Harz-Härter-Gemisch auf den zu isolierenden Leiter versprüht.
Teilentladungsresistente Harze und Harzmischungen sind bei spielweise solche, in denen als polymerer Bestandteil eine Komponente mit einem - [ SZR2-O- ] n- und/oder ein - [ -S1-NR3-] n- Rückgrat als Nebenbestandteil des Harz-Gemisches und/oder Harz-Härter-Gemisches , also zu weniger als 50mol%, insbeson dere zu weniger als 40 mol% und ganz bevorzugt zu weniger als 30 mol% des polymerisierbaren Harz-Gemisches und/oder Harz- Härter-Gemisches vorliegt.
Gemäß der Erfindung ist als Harz-Gemisch und/oder Harz- Härter-Gemisch für die Isolation eine Mischung vorgesehen, bei der zumindest ein Teil des für die fertige Isolation zu einem Duromer härtenden Harz-Gemisches und/oder Harz-Härter- Gemisches eine Siloxan- und/oder Silazanhaltige Verbindung, die im Duromer ein -[SiR2 _0]n- und/oder ein - [ -S1-NR3-] n- Rückgrat bildet, ist.
Dabei steht „R" für Wasserstoff und/oder alle Arten organi scher Reste, die sich zur Härtung und/oder Vernetzung zu ei- nem für ein Isolationssystem brauchbaren Isolationsstoff eig nen. 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:
- Wasserstoff
- 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- / -[- Si-NR3-]n- Rückgrat hat, auch zumindest eine zur Polymerisa- tion funktionalisierte monomere oder oligomere Harzkomponente mit einem Kohlenstoff - also - [ -CR2- ] n-Einheiten umfassenden Rückgrat. Dabei steht R für -Wasserstoff, -Aryl, -Alkyl, - Heterocyclen, Stickstoff, Sauerstoff und/oder Schwefel sub stituierte Aryle und/oder Alkyle. Insbesondere eignen sich beispielsweise Epoxidfunktionalisierte Komponenten, wie
Bisphenol-F-Diglycidylether (BFDGE) oder Bisphenol-A- Diglycidylether (BADGE) , Polyurethan sowie Mischungen hie raus . 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- und/oder - [ -S1-NR3-] n- Rückgrat hat mit einer oder mehreren,
— [—CR2— ] 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- und/oder -[-S1-NR3- ] n- Rückgrat hat eignen sich glycidyl-basierte und/oder epoxy-terminierte Aryl- und/oder Alkyl-Siloxane, wie bei spielsweise glycidoxy funktionalisierte, 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 Phenyl- Methyl-Siloxan in monomerer und/oder in oligomerer Form, so wie in beliebigen Mischungen und/oder in Form von Derivaten. Eine dieser bereits getesteten Komponenten ist als „Silres® HP® 1250® handelsüblich. Es hat sich gezeigt, dass zumindest zweifach funktionalisierte Siloxane, die zur Herstellung von Duroplasten einsetzbar sind, hier geeignet sind.
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 _ und/oder - [ -S1-NR3-] n- Rückgrat, hier auch Siloxanbasierte Verbindung genannt, teilweise oder ganz ersetzt werden.
Im Fall von additionsvernetzenden, nicht
homopolymerisierender Hochpolymere 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)
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 in der Isolation bevorzugt ein Verhältnis von teilentladungsresisitentem Harz, also Siliziumoxid-, Silazan- und/oder Siloxanbasierter, „mit - [SiR2 _0-]n- und/oder ein - [ -S1-NR3-] n- Rückgrat"- Verbindung zu mechanisch tragendem Harz, also kohlenstoffbasiertem Harz, vorliegt, bei dem das mechanisch tragende Harz dominiert, al so mehr als 50 Gew% und/oder mehr als 50 Vol% und/oder mehr als 50 Mol% ausmacht.
Insbesondere liegen beispielsweise folgende Verhältnisse vor: Teilentladungsresistentes Harz, also Siliziumoxid-, Silazan- und/oder Siloxanbasierter, „mit -[SiR2 _0-]n- und/oder ein -[- Si-NR3-]n- -Rückgrat"- Verbindung zu mechanisch tragendem Harz, also kohlenstoffbasiertem Harz „mit -[-CR2-]n _ Rück grat" -Verbindung, wie 1:8 bis 1:4, das heißt dass in der be treffenden Isolation die Kohlenwasserstoff-basierten Verbin dungen mengenmäßig 4 bis 8 mal mehr vorliegen als die teil entladungsresistenten Harzanteile, die bevorzugt ein Silizi- um-basiertes Rückgrat zumindest teilweise haben. Die hier zu letzt genannten Anteile beziehen sich dabei auf die Stöchio metrie, sind also Molprozente.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegt die Siloxan- und/oder Silazanhaltige Komponente oder die Kom ponente auf Siliziumoxidbasis 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.
Überraschend wurde festgestellt, dass die Teilentladungsre sistenz des Isolationsstoffes durch Vorhandensein einer ge wissen Menge an - [ SiR2-0- ] n- und/oder ein - [ -S1-NR3-] n- bil denden Monomeren oder Oligomeren im Basisharz geradezu sprunghaft erhöht.
Durch das Sprühen der Isolation, insbesondere der Hauptisola tion, lagenweise mit zumindest teilweise verschiedenen Formu lierungen kann erreicht werden, dass beispielsweise eine Lage mit einer besonders teilentladungsresistenten Formulierung gesprüht wird und die angrenzenden Lagen aus einer Formulie rung sind, die gute mechanische Eigenschaften zeigt, so wird erreicht, dass die gesprühte Isolation, mehrere unterschied liche Lagen umfassend weder zu spröde noch zu elastisch ist.
Beispielsweise kann auch je nach Formulierung und Eigenschaf ten der versprühten und gehärteten Formulierung eine Lage ei ner sehr teilentladungsresistenten Formulierung nur sehr dünn mit angrenzenden Lagen aus weniger teilentladungsresistenten, aber dafür elastischeren Formulierungen kombiniert vorliegen. Beispielsweise können zwei unterschiedliche Formulierungen zur Ausbildung von alternierend in der Isolation vorliegenden Lagen versprüht werden.
Zur Verbesserung, beispielsweise einer Pulverlack-Versprühung ist beispielsweise vorgesehen, dass eine dickere Lage, - bei spielsweise im Bereich von lOOym, bevorzugt 150ym aufwärts, bis etwa 300ym - aus einer mechanisch stabilen Formulierung mit einer dünneren, kleiner lOOym, bevorzugt kleiner 70ym, ganz bevorzugt einer Lage mit einer Schichtdicke im Nanome terbereich, aus beispielsweise einer Siloxan- und/oder
Silazanhaltigen Formulierung aufgesprüht werden. Damit bei spielsweise eine elektrostatische Pulverlack-Versprühung auf einer Isolationslage haftet, kann als „Interface" also als Grenzschicht zwischen zwei Lagen, eine dünnste, im atomaren Bereich liegende, also nur einige Atomlagen dicke, metalli sche Schicht vorgesehen sein, die eine elektrostatische Auf ladung für die Abscheidung einer weiteren Schicht im Pulver- lack-Sprühverfahren gewährleistet. Eine derartige Interface- Lage kann über Sputtern, oder CVD, Chemical Vapor Deposition oder ähnliches hergestellt werden.
Figur 1 zeigt eine mögliche Lagenabfolge einer gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hergestellten Isolation, in der lagenweise komplette Schichten aufgetragen werden die soge nannte „Zwiebelisolation" um einen Leiter.
Figur 2 zeigt im Gegensatz dazu die mögliche Lagenabfolge ei ner anderen Ausführungsform gemäß der Erfindung, bei der nicht jede Lage komplett um den Leiter herum gesprüht und aufgetragen wird, sondern im Querschnitt sich ein so genann tes Schuppenisolationsbild ergibt.
Figur 1 zeigt von oben nach unten, die dünne Lage 1 (grün ge zeichnet) einer Schicht aus teilentladungsresistentem Harz, wie beispielsweise einem -[SiR2-0-]n- und/oder ein -[-S1-NR3- ] n- Rückgrat bildendem Polymer. Diese dünne Lage 1 kann eine Schichtdicke im Nanometerbereich oder wenige Mikrometer ha ben .
Darauf folgt eine dickere Lage 2 aus einem mechanisch stabi lem Harz, wie beispielsweise einem Kohlenstoff-basierten Harz, also beispielsweise einem Epoxidharz, die beträchtlich dicker ausfallen kann, also eventuell bis zu 200m oder im Extremfall bis zu 300ym dick. Diese dickere Lage bildet bei spielsweise die mechanisch tragende Schicht der Isolation.
Unten in Figur 1 ist noch der Leiter 3, beispielsweise ein Kupferstab 3 zu erkennen.
In dem in Figur 1 gezeigten „Zwiebeldesign" der Isolationsla gen 1 und 2 um den Leiter 3 herum ist es möglich, die zu ver hindernden Treeing Kanäle oder Erosionswege, die sich in ra dialer Richtung um den Leiter herum bilden, durch die Isola tion hindurch mittels Einbau einer - wie hier schematisch ge zeigt - komplett geschlossenen Lage 1 aus teilentladungsre sistentem Material zu unterbrechen.
Alternativ oder ergänzend zu der in Figur 1 gezeigten Lagen abfolge zeigt Figur 2 den so genannten Schuppenaufbau der Isolation. Als Schuppendesign wird dabei bezeichnet, dass ei ne Lacklage nicht als komplett bedeckende Schicht auf der un teren Lage liegt, sondern als Schuppe, also nur ein Teilbe reich einer Lacklage von anderen Teilbereichen oder Schuppen der Lage durch die mechanisch tragende Lacklage getrennt, in gleichem Abstand vom Leiter- äquipotential - vorliegen. Da bei liegt in der Isolation - beispielsweise auf einer äquipotentialen Linie - sowohl ein mechanisch tragender als auch ein teilentladungsresistenter Lack vor, so dass sich im Querschnitt in einer bettenden Matrix 2 von mechanisch tra gendem Harz mit geringem oder gar keinem Anteil an teilentla dungsresistenter, Siliziumoxid-, Silazan- und/oder
Siloxanbasierter, „ -[SiR2-0-]n- und/oder ein - [ -Si-NR3- ] n- Rückgrat"- bildender Lack-Formulierung, dafür aber mit hohem Anteil oder auch vollständig aus kohlenstoffbasierten Harz gebildetem Harz, „Schuppenartig" verteilt, Teilstücke 1 aus teilentladungsresistentem Lack befinden.
Auch hier wird wieder der Treeing Kanal und/oder der Erosi onsweg durch die Isolation hindurch durch Einbau der teilent ladungsresistenten Lack-Schuppen 1 verhindert.
Zur Herstellung des Schuppendesigns kann das allgemeine Fach wissen eines Fachmanns für Lackversprühung herangezogen wer den .
Beispielsweise werden die verschiedenen Lagen im Schuppende sign nicht vollflächig gesprüht, sondern in der Art und Wei se, dass die teilentladungsresistente Lage nicht vollflächig aufgesprüht wird. In welcher Art die Unterbrechungen sind, ist beliebig. Beispielsweise ist eine Helixstruktur denkbar, in dem über die Stablänge der Leiters 3 hinaus gesprüht wird und dieser sich aber um die eigene Achse dabei dreht. Oder aber auch, dass eine geschlitzte Schablone vor dem Leiter 3 aufgebracht wird, durch die hindurch gesprüht wird. Dadurch würden großflächige Schuppenstrukturen, je nach Schablonen aussparungen, entstehen.
Hintergrund der nicht vollflächigen Auftragung der teilentla dungsresistenten Schicht ist, eine so genannte kontinuierli che Phase zu erschaffen, die aus der mechanisch tragenden Schicht entsteht. Dadurch, dass die einzelnen mechanisch tra genden Lagen auch in radialer Richtung, also quer zur Ober fläche des Leiters 3, sich berühren, sorgt dafür, dass auch in radialer Richtung die mechanischen Eigenschaften dieser Schicht dominieren. Diese Aufbringung der Lagen, also das Schuppendesign, ist ähnlich der herkömmlichen Wickelband- Isolation. Bei dieser entsprechen nämlich die Glimmerplätt chen der teilentladungsresistenten Schicht, die in Schuppen form aufgebracht ist. Das Imprägnierharz ist dann gewisserma ßen die mechanisch tragende Harz-Lage, die eine bettende Mat rix für die Schuppen bildet. Die teilentladungsresistenten Schuppen der gesprühten Isolation haben jedoch gegenüber den Glimmerplättchen den offensichtlichen Vorteil, dass sie vari abel in der Geometrie den jeweiligen lokalen Verhältnissen frei und automatisierbar angepasst werden können.
Es gibt nun aber verschiedene Möglichkeiten, den teilentla dungsresistenten Lack und/oder den mechanisch tragenden Lack auf zu sprühen. Die beiden Lacke können dabei im gleichen oder mit verschiedenen Techniken appliziert werden.
Grundsätzlich gibt es zum einen die Versprühung als Pulver lack, wobei ein Feststoff-Gemisch versprüht wird und zum zweiten die Versprühung als Flüssigkeit, wobei entweder mit oder ohne Lösungsmittel versprüht wird. Bei der Versprühung als Pulverlack liegen das Harz-Gemisch, das Harz-Härter- Gemisch und/oder das Harz-Härter-Beschleuniger-Gemisch bei Raumtemperatur und/oder unter Normaldruck als Feststoff vor. Beim Auftreffen aufs Substrat, also auf die Teilleiter der Spule, wird das Material entweder thermisch aufgeschmolzen und/oder elektrostatisch entladen.
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 gepulvert werden, ist stöchiometrisch einfach zu vermischen und bestmöglich ver mengt erhaltbar. Beim Versprühen und beim Auftreffen auf die heiße Metalloberfläche schmilzt das - beispielsweise - aus der erstarrten Schmelze hergestellte, Pulver wieder und be ginnt 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, mittels UV- und/oder IR-Härtung das Harz- Härter-System mit der Versprühung, beim Auftreffen auf die zu beschichtende Oberfläche an zu gelieren. Grundsätzlich können vor allem füllstofffreie Lagen ohne Lösungsmittel versprüht werden, wodurch die Bildung von Poren vermieden werden kann.
Ob mit oder ohne Lösungsmittel wird der aufgesprühte Lack schließlich zur Fertigstellung noch einer Nachhärtung, die thermisch und/oder über Bestrahlung erfolgen kann, unterzo gen .
Eine gesprühte Lage des Isolationssystems hat eine Dicke im Nanometer-Bereich bis wenige Mikrometer und/oder von 50ym bis 300ym, 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 Füllstoff enthalten.
Als polymerisierbare Komponente wird ein Gemisch aus zumin dest einer ein -[SiR2 _0-]n- und/oder ein - [ -S1-NR3-] n- halti ges Rückgrat und einer ein - [ -CH2- ] n _haltiges Rückgrat ent haltenden Verbindung verstanden.
Insbesondere ist die polymerisierbare Komponente ausgewählt aus Duroplasten und/oder Thermoplasten.
Als Lösungsmittel kann in der versprühbaren flüssigen Formu lierung insbesondere Dimethylformamid, 2-Butanon, Aceton und/oder 1-Butanol, enthalten sein.
Durch die Verwendung von feinkörnigem 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 mittels 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 gewickelt wird.
Die Figuren 3 und 4 zeigen dazu
Figur 3 den Stand der Technik mit Glimmerbandisolierung, die um den Leiter gewickelt ist und
Figur 4 die Sprühisolierung, die als versprühbare Formulie rung aufgebracht wird.
Figur 3 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 4 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 reduzierbar, bei spielsweise auf 2,2mm 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 3, der Leiter 13 eine maximale Breite 18 von 12 mm einnehmen, wohingegen er gemäß der Erfindung, wie in Figur 4 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 einer mehrlagigen Isolation für eine elektrische Maschine, insbesondere eine rotierende elektri sche Maschine des Hochspannungs- oder Mittelspannungsbereichs wie beispielsweise ein Generator, Transformator, die höheren Bemessungsspannungen bei Betriebsspannungen, also beispiels weise ab 1 kV oder mehr ausgesetzt sind. Außerdem betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine, die eine derartige Isolation umfasst, schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der mehrlagigen Isolation. Dieses umfasst Versprühen verschiedener Formulierungen mit oder ohne zwischen liegenden, insbesondere metallischen, Interfaces und ist automatisierbar.

Claims

Patentansprüche
1. Isolation eines Leiters einer elektrischen rotierenden Ma schine, die Isolation zwei oder mehrere Lagen, die durch versprühbare Lack-Formulierungen herstellbar sind, umfasst, wobei zumindest eine mechanisch tragende Lack-Lage mit einer teilentladungsresistenten Lack-Lage aneinander angrenzende Lagen der Isolation bilden.
2. Isolation nach Anspruch 1, wobei zumindest eine teilentla dungsresistente Lack-Lage eine versprühbare Lack- Formulierung, ein Harz-Gemisch oder ein Harz-Härter-Gemisch, eine monomere und/oder oligomere Harz-Komponente auf
Siliziumoxid-, Siloxan-, Silazan-, Vinyl-, Silan/Vinyl-, Silan/Acrylat-, und/oder Silan/Methacrylatbasis und/oder sonstige Lackformulierungen mit hohem anorganischen und/oder mineralischem Anteil umfassend, ist.
3. Isolation nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei zumin dest eine mechanisch tragende Lack-Lage aus einer
versprühbaren Lack-Formulierung, ein Harz-Gemisch oder ein Harz-Härter-Gemisch aus einer Kohlenstoff-basierten Verbin dung umfassend, ist.
4. Isolation nach einem der vorstehenden Ansprüche, die meh rere alternierend aufgebrachte teilentladungsresistente und mechanisch tragende Lack-Lagen umfasst.
5. Isolation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die durch Versprühen einer Lack-Formulierung als Pulverlack her stellbar ist.
6. Isolation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die durch Versprühen einer flüssigen Lack-Formulierung mit Lö sungsmittel herstellbar ist.
7. Isolation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die durch Versprühen einer flüssigen Lack-Formulierung ohne Lö sungsmittel herstellbar ist.
8. Isolation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die zu mindest teilweise alternierend- vollflächige Lack-Lagen in radialer Richtung um den Leiter herum umfasst.
9. Isolation nach Anspruch 8, die zumindest eine dünnste Lage als Interface zur Ausbildung einer Lack-Lage im elektrostati schen Pulverlack-Sprühverfahren umfasst.
10. Isolation nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die dünnste Lage als Interface eine oder mehrere Atomlagen Metall umfasst .
11. Isolation nach einem der vorstehenden Ansprüche, die ei nen durchgehenden Schichtaufbau aus einer mechanisch tragen den Lage mit dazwischenliegenden, im Schuppendesign verteil ten, als durchbrochene Lacklage vorliegende, teilentladungs resistenten Lack-Lagen umfasst.
12. Isolation nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 11, die in einem automatisierbaren Verfahren herstellbar ist.
13. Elektrische Maschine, eine Isolation nach einem der An sprüche 1 bis 12 als Innenpotentialsteuerung, Hauptisolation, Außenglimmschutz und/oder Endenglimmschutz umfassend.
14. Verfahren zur Herstellung einer Isolation nach einem der Ansprüche 1 bis 12, die über Versprühen verschiedener Lack formulierungen auf einen Leiter herstellbar ist.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Leiter während des Besprühens bewegt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, wobei zu mindest eine Lackformulierung zumindest teilweise durch eine Schablone hindurch auf den Leiter gesprüht wird.
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