EP3769403A1 - Elektrisches isolationssystem eines elektromotors und herstellungsverfahren dazu - Google Patents

Elektrisches isolationssystem eines elektromotors und herstellungsverfahren dazu

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EP3769403A1
EP3769403A1 EP19723735.7A EP19723735A EP3769403A1 EP 3769403 A1 EP3769403 A1 EP 3769403A1 EP 19723735 A EP19723735 A EP 19723735A EP 3769403 A1 EP3769403 A1 EP 3769403A1
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EP
European Patent Office
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conductor
winding
carrier
insulation system
impregnating resin
Prior art date
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Pending
Application number
EP19723735.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias Katzenberger
Bastian PLOCHMANN
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Innomotics GmbH
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
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    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
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    • B29L2031/748—Machines or parts thereof not otherwise provided for
    • B29L2031/7498—Rotors

Definitions

  • the invention relates to an improved electrical insulation system of an electric motor, in particular with respect to the insulation of the wire windings in the grooves of
  • the invention relates to a manufacturing method for producing such an improved th electrical insulation system of an electric motor.
  • stator In the order of magnitude of shaft height 63mm to 450 mm and accordingly the power of 150W to 1.6 MW is typically the so-called stator, so the laminated core equipped with pre-wound wire windings. These windings are mechanically introduced into the stator and then connected HCd.
  • the electrical insulation of the individual wires with each other and with respect to lying on ground core package is ge by surface insulation materials, such as Pa, and the wire enamel of the individual winding wires gege ben.
  • one or more stators are immersed in a liquid immersion resin tank usually in a dipping process, so that the liquid impregnating resin in the cavities between the individual wires, the wire winding and the sheet metal flow package and can fill these cavities.
  • the so impregnated stators are tempered by exposure to temperature and / or UV irradiation over a period of time.
  • the finished casting for example in the form of a fully cured from the liquid and / or alloyed impregnating resin which fills the cavities of the winding as far as possible in the dipping
  • the quality of the impregnation is ultimately defined by the highest possible degree of filling of the cavities and the lowest possible residual enthalpy of the impregnating resin.
  • Optimal are firstly completely filled with impregnating resin cavities of the stator and secondly a complete cross-linking of the impregnating resin.
  • a disadvantage of impregnation processes in general and the dip impregnation in particular is that for the impregnation tion of various types of stator, the rheology, as well as the che mix reactivity of the impregnating resin in the bath to the jewei time stator type is set, thus a completeness ended filling the cavities is guaranteed.
  • Different types of stator differ in their impregnation behavior - not only in immersion baths - especially due to different temperature profiles, heat capacities and different flow paths.
  • Impregnating station can be economically impregnated, the rheology, viscosity and / or the chemical composition of the composition is set to a mean value oh ne optimization with respect to a stator type.
  • a suitable impregnating resin is technically highly developed in terms of rheology, thixotropy, and chemical reactivity with regard to gelling time and / or residual enthalpy and is therefore correspondingly expensive.
  • impregnating resins for use in the stator suffi accordingly, but are not suitable for a dip in the various types of stator are impregnated.
  • a disadvantage of the usual immersion baths is in particular also that the thermal pre-crosslinking, also called gelation, must succeed in the winding, so that the liquid impregnating resin in the winding when removing the stator from the
  • Object of the present invention is therefore to create a possi probability, which allows a targeted filling of the wire windings of a conductor with impregnating resin.
  • the aim is in particular also within the explicatnisolati on, so for example, the paper winding, which encloses the conductor, so the wire winding, the homogeneity of the
  • Impregnating resin filling of the cavities to increase.
  • the subject of the present invention is therefore an electrical insulation system EIS of an electric motor, comprising at least one conductor with wire winding in a groove of a laminated core of a stator, characterized in that a casting around the wires in the conductor by impregnating on and in at least one Carrier, which is loaded with impregnating resin and disposed between the winding wires in the conductor, he is holding, such that the cavities of the conductor are impregnated with the impregnating resin of the carrier, wherein the content of impregnating resin in the carrier for potting the wires in the head of Blechpers sufficient.
  • the subject of the present invention is an electrical insulation system EIS of an electric motor with wire winding as a conductor in the grooves of a laminated core in which the wire winding and at least one carrier in the conductor are embedded in a potting, wherein the potting in the conductor to the Wires and the at least one support around evenly distributed, because the impregnating resin is not carried out from the outside Shen in the head, but by the carrier, which are loaded with impregnating resin in the B state and remain with the winding wires in the winding ,
  • Impregnating resin distribution in the conductor results in which the resin is still liquid at least partially leaked from the conductor again.
  • the points in the ladder which leave the dipping bath according to the state of the art first, usually have even more unfilled cavities than the points in the ladder, which linger even longer in the dipping bath when taking out. In any case, it is assumed that in the Tauchbadim remplign réelle no uniform distribution of the potting around the wires ei ner winding around exist.
  • the subject of the present invention is a method for producing an electrical insulation system EIS of an electric motor, comprising the following method steps:
  • carrier or "impregnating resin carrier” are presently preferably used prepreg fibers, alone or in combination with wei direct carriers. Further carriers in this sense Kings nen, for example, sponges and / or foams.
  • a "conductor” is a winding of wires which are wound together in surface insulation material, such as paper, for example, and form a bundle of wedge-shaped wires which are inserted into a groove of a laminated core. is withdrawn.
  • surface insulation material such as paper, for example
  • wires may be present per conductor within the wire winding wrapped by surface isolation material.
  • a conductor according to the present invention is cut in cross-section, the circles showing the diameters of the wires, which in the best case are arranged according to the pattern of a "densest" spherical packing in the crystal, are discernible
  • the individual wires that make up the large circles for example, single points that point to a carrier, such as a fiber.This is true in the case that the cross section of the
  • Prepreg fiber is small compared to the cross section of the wire.
  • Impregnating resin introduced into the winding which ideally fills up to 100%, preferably up to 80% and more preferably between 30 and 80% of said above at least free 35 vol% in the conductor by impregnating resin respectively encapsulation and carrier.
  • the carrier for example, the prepreg fibers, simultaneously with the winding of the wires, in particular the copper wires are wound up and so between the winding wires in the conductor with these in the winding and finished Electric motor vorlie conditions.
  • the number of prepreg fiber turns if their diameter is comparable to the diameter of the wire, is chosen to be as small as necessary relative to the winding wire turns so as not to waste space in the groove that would be fillable with winding wire ,
  • Prepreg fiber volume is accordingly in the voltage field between high enough that as complete as possible Verguss the conductor after curing is present and as low as possible, so that the Volumenhellgrad in the groove with Kausmate rial, preferably with copper wire, does not suffer from selected ,
  • impregnating resin can be easily varied during winding by adding / reducing the wound prepreg fibers in a wide range.
  • the ratio of prepreg fiber to winding wire can also be in favor of the fiber, for example in the range of 5 fibers. per wire to one fiber per wire, ie 1: 1. Ratio in the winding.
  • the respective proportions depend, for example, on the absorbency of the fiber, ie the resin content per volume fraction of fiber, the diameter of the fiber, etc.
  • the fibers are laid, drawn and / or spun in addition to the bundling or alternatively to the winding wires.
  • suitable fibers for example, thin yarns are used, in particular "atomized" fibers, such as dental flosses, and / or linear fibers in which the fibrils are present in untwisted form.
  • Polyethylene fiber PET fiber, polyethylene imide fiber,
  • Polyamide-imide fiber and / or cotton fiber as well as beechi ges mixture of the above fiber in fiber bundles, fiber pigtails or the like. It is also possible to use short fibers or fabrics in a sensible way, so that there are no limits to the selection of the carrier.
  • the fiber and / or the material of the carrier is chosen so that the tensile strength is sufficient for the winding process.
  • the fiber material, the structure and / or the surface finish is selected so that a high wettability and / or impregnability with the jewei time impregnating resin is given sufficient tensile strength and, of course, electrical insulation at the carrier.
  • thermoset which-especially at room temperature-is gelled, optionally slightly tacky, but not yet cured, this state being also referred to as prepolymer of the thermoset as prepolymer.
  • Impregnating resin is crosslinked only to a small extent, but it receives superficial stability, so that it is not solid and crosslinked but also no longer liquid.
  • a thermoset In the B state, a thermoset can be remelted and liquefied without decomposing.
  • the impregnating resin of the prepreg fiber is in the B state, that is, it may be superficially slightly tacky rig. Following this, in the curing process, which generally occurs with temperature elevation and / or irradiation, this impregnating resin melts in the B state of the prepreg fibers, travels around the conductor wires and within the groove around the winding wires, and chemically cures until a Casting is formed.
  • a casting is made of synthetic resin and called the finished by hardened duromer, which is no longer malleable, but only machinable.
  • the conductor comprising winding wire and fibers, in the finished electric motor in such a
  • the carriers used according to the invention in the production of the conductor, ie the winding of the conductive and wire enamel insulated Wi ckel wires are prepreg carrier, so for example prepreg fibers.
  • the preimpregnation of the fiber for producing the prepreg fiber can be carried out, for example, by a dip impregnation of the fibers.
  • fibers are immersed in a dipping bath which dilutes the impregnating resin, for example with a solvent.
  • the fiber is passed through the dip at a predetermined rate pulled through, the fiber only once superficially and depending on the absorbency of the fiber within the fiber, for example, in open pores and / or braiding or Verfil tion cavities, impregnating resin absorbs.
  • the preimpregnated fiber After completion of the immersion bath, the preimpregnated fiber is dried and freed from solvent. In this case, the B state of the impregnating resin is produced in and on the fiber. It is possible that the fiber wetted with impregnating resin in the B state is superficially slightly tacky.
  • prepreg fiber The so-impregnated and dried fiber is then called "prepreg fiber.”
  • a "small fibril” is defined as a small thin fiber which under certain circumstances may not be recognizable to the naked eye.)
  • the carrier for example, at least partially comprising prepreg fibers are introduced into the winding in the winding process and can thus be placed in the geometrical interstices of the wire enamel-insulated winding wires, preferably copper wires.
  • the product of the winding is the conductor which is inserted into the groove and is a winding of conductive hend, insulated winding wires with intermediate prepreg fibers.
  • the prepreg impregnation resin is soft and can be plastically deformed, it preferably lies in the intermediate spaces of the wires and / or is displaced by the harder wires of the winding there, so that in general no losses with respect to the Volumenhellgrads the groove with winding Wire are to be feared.
  • Prepreg fibers form a conductor with the winding wires.
  • the "same” refers to a realistically possible equality, for example a cotton fiber, regardless of the impregnation resin filling, will always be considered “equal” to a comparable cotton fiber.
  • the prepreg fibers may be the same or different in length, material, diameter, cross-sectional shape and / or arrangement of the fibrils.
  • the prepreg fibers may be the same or different in terms of their content of impregnating resin per unit volume of fiber.
  • the impregnating resin of the prepreg fibers of a conductor may also be the same, that is, made of uniform reaction resin or different, each of prepreg fiber to prepreg fiber un ferent reaction resin.
  • a mixture of fibers can be used in combination with a mixture of impregnating resin. It is also possible to use mixtures of different prepreg fibers, braided and / or bundled prepreg fibers, fiber composites as required and engine type.
  • Figure 1 shows the prior art with EIS, which can be produced by a dive of conductors in impregnating baths.
  • EIS EIS
  • Figure 2 shows a conductor according to a Ausure tion of the present invention in cross section.
  • FIG. 2 shows FIG. 2a on the left and FIG. 2b on the right, which follow one another in terms of time in the setting process.
  • Figure 2 b does not yet show the finished insulation system, but only an intermediate stage in which it can be seen how formed the prepreg fiber 9 in the winding during curing ver.
  • the conductor was cut, in FIG. 2 a the hel len circles are the cross sections of the winding wires 5, which are coated with wire enamel 8, as interpreted by the dark edge 8 at.
  • the prepreg fibers 9 provided between the winding wires 5 are laid during the winding plastically deformable in the spaces formed by the winding wires 5.
  • Figure 2b shows the beginning of the curing of the Isolationsssys system according to an embodiment of the present inven tion, wherein it can be seen that the impregnating resin portions of the prepreg fibers 9 melt during curing and liquefy by.
  • the liquid impregnating resin spreads and fills the existing cavities 6 in particular also by acting in the head Ka pillar mechanism.
  • the impregnating resin cross-links and becomes a permanent encapsulation of wire and carrier.
  • up to 35% by volume, in particular up to 26% by volume, before given to up to 20% by volume of impregnating resin and carrier can then be present in the conductor.
  • a particular advantage is that the impregnating resin is introduced by a carrier medium, such as a carrier fiber during the winding process in the stator. This eliminates the procedural step of dip impregnation. This is possible by means of the prepreg fiber, which introduces sufficient impregnating resin into the conductor.
  • a carrier medium such as a carrier fiber
  • the invention relates to an improved electrical insulation system of an electric motor, in particular with respect to the insulation of the wire winding in the grooves of the
  • the invention relates to a cost-effective manufacturing method for producing such an improved electrical insulation system of a The electric motor. This is achieved by introducing the impregnating resin into the conductor to form the potting of the conductor in the groove by a carrier medium such as a fiber.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein verbessertes elektrisches Isolationssystem eines Elektromotors, insbesondere ein hinsichtlich der Isolation der Draht-Wicklungen in den Nuten des Blechpakets gegen das Blechpaket verbessertes elektrisches Isolationssystem EIS. Außerdem betrifft die Erfindung ein kostengünstiges Herstellungsverfahren zur Herstellung eines derart verbesserten elektrischen Isolationssystems eines Elektromotors. Dies wird erreicht, in dem das Imprägnierharz zur Bildung des Vergusses des Leiters in der Nut durch ein Trägermedium, wie eine Faser, in den Leiter eingebracht wird.

Description

Beschreibung
Elektrisches Isolationssystem eines Elektromotors und
Herstellungsverfahren dazu
Die Erfindung betrifft ein verbessertes elektrisches Isolati onssystem eines Elektromotors, insbesondere ein hinsichtlich der Isolation der Draht-Wicklungen in den Nuten des
Blechpakets gegen das Blechpaket verbessertes elektrisches Isolationssystem EIS. Außerdem betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines derart verbesser ten elektrischen Isolationssystems eines Elektromotors.
Bekannt sind Blechpakete von Elektromotoren, die Nuten mit einer Draht-Wicklung, in der Regel einer Kupferdraht- Wicklung, wobei der Draht durch einen Drahtlack elektrisch isoliert ist, umfassen. Dabei gibt es je nach Größe und Leis tungsklassen unterschiedliche Möglichkeiten, Elektromotoren zu fertigen.
In der Größenordnung von Achshöhe 63mm bis 450 mm und ent sprechend den Leistungen von 150W bis 1,6 MW wird typischer weise der so genannte Stator, also das Blechpaket mit vorge wickelten Draht-Wicklungen bestückt. Diese Wicklungen werden dabei in die Statornuten mechanisch eingebracht und anschlie ßend geschaltet. Die elektrische Isolation der Einzeldrähte untereinander sowie gegenüber dem auf Erdpotential liegenden Blechpaket ist durch Flächenisolationsmaterialien, wie Pa pier, und dem Drahtlack der einzelnen Wicklungsdrähte gege ben. Aufgrund der geometrischen Anforderungen der Nuten wie dem Nutzahn, der zur Ausbildung möglichst geschlossener Mag netfeldlinien dient, ist eine maximale Nutfüllung von 85 Vol% mit Kupferdraht inklusive Drahtlack möglich, da sonst bei spielsweise die Einziehkräfte zu groß werden würden und damit die Flächenisolation und/oder der Drahtlack beschädigt werden könnten, beispielsweise durch Kratzer, Risse und/oder durch Dehnung. Im Ergebnis bleiben mindestens 15 Vol% freies Volu men in den Nuten des Blechpakets. Ein Teil davon liegt frei, weil die Wicklung nicht passgenau die Ecken der Nut ausfüllt, aber innerhalb der Wicklung werden bestehende Hohlräume im Imprägnierprozess möglichst vollständig mit Imprägnierharz gefüllt .
Leider hat sich gezeigt, dass hier erhebliche Lücken beste hen, weil das Imprägnierharz beim Herausholen des Stators aus dem Tauchbad oft noch so flüssig ist, dass hier keine ausrei chende Füllung der Hohlräume auch innerhalb des Leiters, also der Draht-Wicklung, stattfindet.
Dazu werden in der Regel in einem Tauchverfahren ein oder mehrere Statoren langsam in ein Flüssig-Imprägnier-Harzbecken getaucht, damit das flüssige Imprägnierharz in die Hohlräume zwischen den Einzeldrähten, der Draht-Wicklung und dem Blech paket fließen und diese Hohlräume ausfüllen kann. Im An schluss werden die so getränkten Statoren durch Temperatur einwirkung und/oder UV-Bestrahlung über einen gewissen Zeit raum gehärtet. Dadurch wird aus dem flüssigen und/oder ge lierten Imprägnierharz, das im Tauchbad die Hohlräume der Wicklung soweit wie möglich ausfüllt, der fertige Verguss, beispielsweise in Form eines vollständig ausgehärteten
Duromers als Vergussmasse.
Die Qualität der Imprägnierung ist letztendlich durch einen möglichst hohen Füllgrad der Hohlräume und eine möglichst ge ringe Restenthalpie des Imprägnierharzes definiert. Optimal sind dabei erstens vollständig mit Imprägnierharz gefüllte Hohlräume des Stators und zweitens eine vollständige Vernet zung des Imprägnierharzes.
Nachteilig an Imprägnier-Prozessen im Allgemeinen und der Tauchbadimprägnierung im Besonderen ist, dass zur Imprägnie rung verschiedener Stator-Typen die Rheologie, sowie die che mische Reaktivität des Imprägnierharzes im Bad auf den jewei ligen Stator-Typ einzustellen ist, damit auch eine vollstän dige Füllung der Hohlräume gewährleistet wird. Unterschiedli che Stator-Typen unterscheiden sich im Imprägnier-Verhalten - nicht nur im Tauchbad - insbesondere durch unterschiedliche Temperaturverläufe, Wärmekapazitäten und unterschiedliche Fließwege .
Je nach Stator-Typ ist eine höhere oder niedrigere Viskosität gefordert, damit durch das Imprägnierharz eine vollständige Füllung der Hohlräume und gleichzeitig eine schnelle Gelie rung erfolgt. Diese erschwert jedoch im Anschluss daran das Abfließen des Imprägnierharzes bei der Herausnahme des
Stators aus der Imprägnierstation, wie beispielsweise dem Tauchbad .
Damit verschiedene Stator-Typen in einer gemeinsamen
Imprägnierstation wirtschaftlich imprägniert werden können, wird die Rheologie, Viskosität und/oder die chemische Zusam mensetzung des Tauchbads auf einen Mittelwert eingestellt oh ne eine Optimierung hinsichtlich eines Stator-Typs. Ein dafür geeignetes Imprägnierharz ist hinsichtlich der Rheologie, Thixotropierung, sowie der chemischen Reaktivität im Hinblick auf Gelierzeit und/oder Restenthalpie technisch hoch entwi ckelt und damit entsprechend teuer. Zwar wären aufgrund ihrer mechanischen, elektrischen und chemischen Eigenschaften auch billigere Imprägnierharze für die Anwendung im Stator ausrei chend, jedoch eignen die sich nicht für ein Tauchbad in dem verschiedene Stator-Typen imprägniert werden.
Nachteilig an den üblichen Tauchbädern ist insbesondere auch, dass die thermische Vorvernetzung, auch Gelierung genannt, in der Wicklung gelingen muss, damit das flüssige Imprägnierharz in der Wicklung beim Herausnehmen des Stators aus dem
Tauchbad verbleibt, wobei diese Anforderung im Gegensatz zu der Anforderung steht, dass überschüssiges Imprägnierharz an der Außenwand des Stators bei der Herausnahme aus dem
Tauchbad möglichst vollständig wieder abfließen sollte. Das flüssige Imprägnierharz jedoch, das mit einem heißen Stator in Berührung war und ins Tauchbad zurücktropft, kontaminiert das Tauchbad und verschlechtert die Imprägnierharz-Qualität des Bades für nachfolgende Imprägnierungen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Mög lichkeit zu schaffen, die eine zielgerichtete Füllung der Draht-Wicklungen eines Leiters mit Imprägnierharz ermöglicht. Ziel ist es insbesondere auch, innerhalb der Flächenisolati on, also beispielsweise der Papierwicklung, die den Leiter, also die Draht-Wicklung umschließt, die Homogenität der
Imprägnierharzfüllung der Hohlräume zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Er findung, wie er in der Beschreibung, den Figuren und den An sprüchen offenbart wird, gelöst.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein elektri sches Isolationssystem EIS eines Elektromotors, zumindest ei nen Leiter mit Draht-Wicklung in einer Nut eines Blechpakets eines Stators umfassend, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verguss um die Drähte in dem Leiter durch Imprägnierharz auf und in zumindest einem Träger, der mit Imprägnierharz beladen und zwischen den Wickel-Drähten im Leiter angeordnet ist, er hältlich ist, derart, dass die Hohlräume des Leiters mit dem Imprägnierharz des Träger befällt werden, wobei der Gehalt an Imprägnierharz im Träger zum Verguss der Drähte im Leiter des Blechpakets ausreicht.
Darüber hinaus ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein elektrisches Isolationssystem EIS eines Elektromotors mit Draht-Wicklung als Leiter in den Nuten eines Blechpakets, bei dem die Draht-Wicklung und zumindest ein Träger im Leiter in einem Verguss eingebettet sind, wobei der Verguss im Leiter um die Drähte und den zumindest einen Träger herum gleichmä ßig verteilt ist, weil das Imprägnierharz dazu nicht von au ßen in den Leiter geführt wird, sondern durch die Träger, die dazu mit Imprägnierharz im B-Zustand beladen sind und die mit den Wickeldrähten in der Wicklung verbleiben.
Das „gleichmäßig verteilt" steht hier im Gegensatz zur
Imprägnierharz-Verteilung im Leiter, die aus beispielsweise einer Tauchbadimprägnierung resultiert, bei dem das Harz noch flüssig aus dem Leiter zumindest teilweise wieder ausgelaufen ist. Die Stellen im Leiter, die nach dem Stand der Technik das Tauchbad als erstes verlassen, haben in der Regel noch mehr ungefüllte Hohlräume als die Stellen im Leiter, die noch länger im Tauchbad bei der Herausnahme verweilen. Jedenfalls wird davon ausgegangen, dass bei der Tauchbadimprägnierung keine gleichmäßige Verteilung des Vergusses um die Drähte ei ner Wicklung herum bestehen.
Außerdem ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Ver fahren zur Herstellung eines elektrischen Isolationssystems EIS eines Elektromotors, folgende Verfahrensschritte umfas send :
- Wicklung eines Leiters aus Wickel-Draht und
Imprägnierharz-Träger
- Einziehen des so gebildeten Leiters in die Nuten eines Blechpakets eines Stators des Elektromotors
und
- Aushärten der imprägnierten Wickel-Draht-Träger- Isolation .
Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass der aufwän dige und unbefriedigende Imprägnier-Tauchprozess bei der Her stellung eines elektrischen Wickel-Draht-Isolationssystems EIS eines Elektromotors durch Einbringen einer ausreichenden Harzmenge als Prepreg an und/oder in einem Träger, wie bei spielsweise einer Faser, eingespart werden kann.
Als „Träger" oder „Imprägnierharz-Träger" werden vorliegend bevorzugt Prepreg-Fasern, allein oder in Kombination mit wei teren Trägern eingesetzt. Weitere Träger in diesem Sinne kön nen beispielsweise Schwämme und/oder Schäume sein.
Als „Leiter" wird vorliegend eine Wicklung von Drähten be zeichnet, die zusammen in Flächenisolationsmaterial, wie bei spielsweise Papier, gewickelt werden und ein Bündel von Wi ckel-Drähten bilden, das in eine Nut eines Blechpakets einge- zogen wird. Pro Leiter können beispielsweise bis zu 200 Dräh te innerhalb der Draht-Wicklung, die von Flächenisolations- Material umwickelt ist, vorliegen.
Schneidet man einen Leiter gemäß der vorliegenden Erfindung im Querschnitt auf, so erkennt man im Kreise, die die Durch messer der Drähte zeigen, die im besten Fall nach dem Muster einer „dichtesten" Kugel-Packung im Kristall angeordnet sind. Im Querschnittsbild sind dann zwischen den einzelnen Drähten, die die großen Kreise bilden, beispielsweise nochmal einzelne Punkte, die auf einen Träger, wie eine Faser hinwei- sen. Dies gilt für den Fall, dass der Querschnitt der
Prepreg-Faser klein ist im Vergleich zum Querschnitt des Drahtes .
Meistens wird jedoch die Draht-Wicklung nicht mit komplett parallel angeordneten Drähten gefüllt sein, so dass in der Regel eine so genannte „wilde Wicklung", wie in Figur 1 ge zeigt, vorliegen dürfte. Analog zur Raumerfüllung der dich testen Kugelpackung, die 74% beträgt, wird deshalb davon aus gegangen, dass die restlichen zumindest 26 Vol% an Hohlraum im Leiter mit Träger, beispielsweise Fasern, Zöpfe und/oder Faserbündel befüllbar sind.
Es wird gemäß der Erfindung angestrebt, möglichst viel von diesem Hohlraum, der sowieso aus Dimensionsgründen von den Drähten nicht genutzt werden kann, mit Träger zu befüllen. Ausgehend davon, dass demnach im Leiter im Idealfall 26 Vol%, also schätzungsweise im Realfall bis zu 35Vol% oder mehr, je nach Güte der Wicklung, nicht durch Draht besetzt sind, ver bleiben für die Füllung mit Imprägnierharz 35 Vol% im Leiter.
Durch den Träger wird eine dafür ausreichende Menge an
Imprägnierharz in die Wicklung eingebracht, das idealerweise bis zu 100%, bevorzugt bis zu 80 % und insbesondere bevorzugt zwischen 30 und 80 % dieser oben genannten mindestens freien 35 Vol% im Leiter durch Imprägnierharz respektive Verguss und Träger ausfüllt. Dabei ist es insbesondere auch vorteilhaft, wenn der Träger also beispielsweise die Prepreg-Fasern, gleichzeitig mit der Wicklung der Drähte, insbesondere der Kupfer-Drähte mit gewi ckelt werden und so zwischen den Wickel-Drähten im Leiter mit diesen in der Wicklung und im fertigen Elektromotor vorlie gen .
Grundsätzlich wird die Anzahl der Prepreg-Faserwindungen, wenn ihr Durchmesser vergleichbar mit dem Durchmesser des Drahtes ist, im Verhältnis zu den Wickel-Drahtwindungen so gering wie nötig gewählt, um keinen Platz in der Nut, der mit Wickel-Draht befüllbar wäre, zu verschwenden.
Die Anzahl der Prepreg-Faserwindungen und die Größe der
Prepreg-Faservolumen wird entsprechend im Spannungsfeld zwi schen hoch genug, dass ein möglichst vollständiger Verguss des Leiters nach der Härtung vorliegt und so gering wie mög lich, damit der Volumenfüllgrad in der Nut mit Leitungsmate rial, bevorzugt mit Kupferdraht, nicht darunter leidet, aus gewählt. Durch die Einbringung des Imprägnierharzes auf einem Träger in den Leiter kann dabei die Menge und Art des
Imprägnierharzes je nach Motorentyp ganz einfach bei der Wicklung durch Zugabe /Reduktion der mit gewickelten Prepreg- Fasern in weiten Bereichen variiert werden.
Dabei zeigt sich die enorme Flexibilität der Herstellung des elektrischen Isolationssystems EIS eines Elektromotors gemäß der vorliegenden Erfindung.
Beispielsweise liegen Lang- und/oder Endlos-Fasern im Leiter mit ungefähr gleichem Durchmesser mit Wickeldraht im Verhält nis von 1 Faser zu 7 Drähten, insbesondere 1 Faser zu 5 Dräh ten und ganz bevorzugt 1 Faser zu 3 Drähten in der Wicklung vor .
Das Verhältnis von Prepreg-Faser zu Wickeldraht kann auch zu gunsten der Faser liegen, beispielsweise im Bereich von 5 Fa- sern pro Draht bis einer Faser pro Draht also 1:1. Verhältnis in der Wicklung. Die jeweiligen Anteile richten sich bei spielsweise nach der Saugfähigkeit der Faser, also dem Harz inhalt pro Volumenanteil Faser, dem Durchmesser der Faser etc .
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ver größert sich das Volumen der Faser bei der Imprägnierung mit Harz durch die Harzaufnahme und verkleinert sich entsprechend bei der Bildung des Vergusses wieder.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Fasern zusätzlich zur Bündelung oder alternativ dazu um die Wickeldrähte gelegt, gezogen und/oder gesponnen.
Als geeignete Fasern werden beispielsweise dünne Garne einge setzt, insbesondere „verdüste" Fasern, wie beispielsweise Zahnseiden, und/oder lineare Fasern, in denen die Fibrillen unverdrillt vorliegen. Die Faser kann als keramische Faser, Kunststofffaser, Glasfaser, Filze, Corbonfaser,
Polyethylenfaser, PET-Faser, Polyethylenimid-Faser,
Polyamidimid-Faser und/oder Baumwollfaser, sowie als beliebi ges Gemisch der oben genannten Faser in Faserbündel, Faser zöpfen oder ähnlichem vorliegen. Es können auch kurze Fasern oder Gewebe sinnvoll eingesetzt werden, dahingehend sind der Auswahl des Trägers keine Grenzen gesetzt.
Die Faser und/oder das Material des Trägers wird so gewählt, dass die Zugfestigkeit für den Wickelprozess ausreicht. Vor teilhafterweise ist die Faser vom Material, dem Aufbau und/oder der Oberflächenbeschaffenheit so gewählt, dass eine hohe Benetzbarkeit und/oder Imprägnierbarkeit mit dem jewei ligen Imprägnierharz bei ausreichender Zugfestigkeit und na türlich elektrischer Isolation beim Träger gegeben ist.
Zur Herstellung der Prepreg-vorimprägnierten Fasern werden diese mit einem Harz imprägniert, das B-Zustand-fähig ist. Als „B-Zustand eines Harzes" wird vorliegend ein Harz, bei spielsweise ein Duromer bezeichnet, das - insbesondere bei Raumtemperatur - angeliert, gegebenenfalls leicht klebrig, aber noch nicht durch gehärtet vorliegt. Dieser Zustand wird auch als Vorprodukt des Duromers als Prepolymer bezeichnet.
Dieser Zustand des Prepolymers ist gegeben, wenn das
Imprägnierharz nur zu geringen Teilen vernetzt ist, dabei aber oberflächlich eine gewissen Stabilität erhält, so dass es zwar nicht fest und vernetzt aber auch nicht mehr flüssig vorliegt. Im B-Zustand kann ein Duromer nochmal aufgeschmol- zen und verflüssigt werden ohne sich zu zersetzen.
Das Imprägnierharz der Prepreg-Faser liegt im B-Zustand vor, das heißt dass es unter Umständen oberflächlich leicht kleb rig ist. Im Anschluss, beim Härtungsprozess, der in der Regel unter Temperaturerhöhung und/oder Bestrahlung stattfindet, schmilzt dieses Imprägnierharz im B-Zustand der Prepreg- Fasern auf, verläuft innerhalb des Leiters und innerhalb der Nut um die Wickeldrähte herum und härtet chemisch durch, bis ein Verguss gebildet ist. Ein Verguss ist aus Kunstharz und bezeichnet das fertig durch gehärtete Duromer, das nicht mehr verformbar, sondern nur noch spanabhebend bearbeitbar ist.
Im vorliegenden Fall liegt der Leiter, Wickeldraht und Fasern umfassend, im fertigen Elektromotor in einem derartigen
Verguss vor .
Die gemäß der Erfindung bei der Herstellung des Leiters, also der Wicklung der leitfähigen und mit Drahtlack isolierten Wi ckel-Drähte, eingesetzten Träger sind Prepreg-Träger, also beispielsweise Prepreg-Fasern . Das Vorimprägnieren der Faser zur Herstellung der Prepreg-Faser kann beispielsweise durch eine Tauchimprägnierung der Fasern erfolgen. Dabei werden Fa sern durch ein Tauchbad, das das Imprägnierharz, beispiels weise mit einem Lösungsmittel verdünnt, enthält. Die Faser wird in einer vorgegebenen Geschwindigkeit durch das Tauchbad durchgezogen, wobei die Faser erst mal oberflächlich und je nach Saugfähigkeit der Faser auch innerhalb der Faser, bei spielsweise in offenen Poren und/oder Flecht- oder Verfil zungs-Hohlräumen, Imprägnierharz aufnimmt. Nach Beendigung des Tauchbads wird die vorimprägnierte Faser getrocknet und so von Lösungsmittel befreit. Dabei wird auch der B-Zustand des Imprägnierharzes in und an der Faser erzeugt. Es ist mög lich, dass die mit Imprägnierharz im B-Zustand benetzte Faser oberflächlich leicht klebrig ist.
Die so imprägnierte und getrocknete Faser nennt man dann „Prepreg-Faser" . Der mit Imprägnierharz gefüllte Träger, wie auch die Prepreg-Faser fallen auch unter den Begriff „Halb zeug". Im Gegensatz dazu wird der Träger und/oder die Faser, die keinen oder nur geringen Rest-Gehalt an Imprägnierharz ausweist, schlicht als „Faser" bezeichnet.
Es hat sich herausgestellt, dass verdüste Fasern, bei denen die Fibrillen nicht linear, sondern verwirbelt vorliegen und/oder filzähnlich verbunden sind, zum Teil auch punktuell verklebt sind, eine höhere Imprägnierharz-Aufnahme zeigen als Fasern aus linear, parallel oder quasi linear, parallel ange ordneten Fasern.
Als „Fibrille" wird vorliegend eine kleine dünne Faser be zeichnet, die mit bloßem Auge unter Umständen gar nicht er kennbar ist. Mehrere Fibrillen, also beispielsweise Hunderte davon, bilden eine Faser, wie beispielsweise eine Endlosfaser oder eine lange Faser, wie sie gemäß der vorliegenden Erfin dung zur Herstellung einer Prepreg-Faser eingesetzt wird.
Die Träger, beispielsweise Prepreg-Fasern zumindest teilweise umfassend, werden im Wickelprozess mit in die Wicklung einge bracht und können sich so in die geometrischen Zwischenräume der mit Drahtlack isolierten Wickel-Drähte, bevorzugt Kupfer- Drähte, legen. Das Produkt der Wicklung ist der Leiter, der in die Nut eingebracht wird und ist eine Wicklung aus leitfä- higen, isolierten Wickel-Drähten mit dazwischenliegenden Prepreg-Fasern .
Da das Prepreg Imprägnierharz weich ist und sich plastisch verformen lässt, legt es sich bevorzugt in die Zwischenräume der Drähte und/oder wird von den härteren Drähten der Wick lung dahin verdrängt, so dass in der Regel keine Einbußen hinsichtlich des Volumenfüllgrads der Nut mit Wickel-Draht zu befürchten sind.
Es können im Wesentlichen „gleiche" oder verschiedene
Prepreg-Fasern mit den Wickel-Drähten einen Leiter bilden. Dabei bezieht sich das „gleich" natürlich auf eine in der je weils bezeichneten Sache realistischer weise mögliche Gleich heit. Dabei wird beispielsweise eine Baumwollfaser unabhängig von der Imprägnierharz-Füllung immer als „gleich" mit einer in Dimension vergleichbaren Baumwollfaser gelten.
Die Prepreg-Fasern können in Länge, Material, Durchmesser, Querschnittsform und/oder Anordnung der Fibrillen gleich oder verschieden sein. Die Prepreg-Fasern können in Bezug auf ih ren Gehalt an Imprägnierharz pro Volumeneinheit Faser gleich oder verschieden sein.
Das Imprägnierharz der Prepreg-Fasern eines Leiters kann ebenfalls gleich, also aus einheitlichem Reaktionsharz oder verschieden, jeweils von Prepreg-Faser zu Prepreg-Faser un terschiedlichem Reaktionsharz, sein.
Insbesondere kann ein Gemisch von Fasern in Kombination mit einem Gemisch an Imprägnierharz eingesetzt werden. Es können auch Gemische verschiedener Prepreg-Fasern, geflochtene und/oder gebündelte Prepreg-Fasern, Faserverbunde je nach Be darf und Motorentyp eingesetzt werden.
Figur 1 zeigt den Stand der Technik mit EIS, das durch Ein tauchen von Leitern in Imprägnierharz-Bäder herstellbar ist. In Figur 1, links ist zum Überblick ein Gehäuse 1 eines
Stators mit einem Blechpaket 2 und Nuten 3, sowie dem jewei ligen Wickelkopf 4 gezeigt.
Der Ausschnitt A der Nutwicklung ist rechts in Figur 1 ver größert dargestellt.
Zu erkennen sind die einzelnen Wickel-Drähte, die gleich aus gerichtete, aber nicht zwingend parallele helle Streifen 5 bilden. Diese, so genannte „Wilde Wicklung" bildet ver gleichsmäßig große Hohlräume. Gemäß dem hier gezeigten Bei spiel liegt keine optimale Packung der Wickel-Drähte im Lei ter in der Nut 3 vor, deshalb gibt es die größeren Hohlräume, wie beispielsweise links unten der Hohlraum 7, dunkler ge zeichnet. Außer den hellen Streifen, die die Wickel-Drähte 5 darstellen und den dunklen Streifen, die die Hohlräume zwi schen den Drähten, die mit Imprägnierharz 7 gefüllt sind, zeigen, gibt es in dieser Detailansicht aus Figur 1 noch hel lere Zwischenräume 6, die ungefüllte Hohlräume zwischen den Wickeldrähten 5 sind. Diese Hohlräume 6 zeigen, wie die
Tauchimprägnierung nach dem Stand der Technik eine wilde Wicklung nur unvollständig mit Imprägnierharz füllt.
Demgegenüber zeigt Figur 2 einen Leiter nach einem Ausfüh rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im Querschnitt. Die Figur 2 zeigt Figur 2a links und Figur 2b rechts, die im Her stellungsprozess zeitlich aufeinander folgen. Auch Figur 2 b zeigt dabei noch nicht das fertige Isolationssystem, sondern nur eine Zwischenstufe, in der erkennbar ist, wie sich die Prepreg-Faser 9 in der Wicklung während der Aushärtung ver formt .
Geschnitten wurde durch den Leiter, in Figur 2a sind die hel len Kreise die Querschnitte der Wickel-Drähte 5, die mit Drahtlack 8 überzogen sind, wie durch den dunklen Rand 8 an gedeutet. Die Prepreg-Fasern 9, die zwischen den Wickel- Drähten 5 vorgesehen sind, legen sich während der Wicklung plastisch verformbar in die Zwischenräume die von den Wickel- Drähten 5 gebildet werden.
Figur 2b zeigt den Beginn der Aushärtung des Isolationssys tems gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfin dung, wobei zu erkennen ist, dass die Imprägnierharz-Anteile der Prepreg-Fasern 9 bei der Aushärtung aufschmelzen und da durch verflüssigen. Das flüssige Imprägnierharz verteilt sich und füllt insbesondere auch durch die im Leiter wirkenden Ka pillarkräfte die bestehenden Hohlräume 6 aus. Bei der Aushär tung vernetzt das Imprägnierharz und wird zum festen Verguss von Draht und Träger. Im fertigen Isolationssystem kann dann im Leiter bis zu 35 Vol%, insbesondere bis zu 26 Vol%, bevor zugt bis zu 20 Vol% Imprägnierharz und Träger vorliegen.
Durch die vorliegende Erfindung kann bei der Herstellung ei nes elektrischen Isolationssystems EIS eines Elektromotors auf den zeit- und kostenaufwändigen Tauchimprägnierprozess verzichtet werden, ohne dabei den vorhergehenden Wickelpro zessschritt maßgeblich abzuändern. Somit ist eine wesentlich größere Fertigungsvarianz gegeben, die Fertigungszeit zur Herstellung wird reduziert und dadurch ebenfalls die Ferti gungskosten .
Ein besonderer Vorteil ist dass das Imprägnierharz durch ein Trägermedium, wie eine Trägerfaser bereits beim Wickelprozess in den Stator eingebracht wird. Hierdurch entfällt der Ver fahrensschritt der Tauchimprägnierung. Dies ist mittels der Prepreg-Faser, die ausreichend Imprägnierharz in den Leiter einbringt, möglich.
Die Erfindung betrifft ein verbessertes elektrisches Isolati onssystem eines Elektromotors, insbesondere ein hinsichtlich der Isolation der Draht-Wicklung in den Nuten des
Blechpakets gegen das Blechpaket verbessertes elektrisches Isolationssystem EIS. Außerdem betrifft die Erfindung ein kostengünstiges Herstellungsverfahren zur Herstellung eines derart verbesserten elektrischen Isolationssystems eines Elektromotors. Dies wird erreicht, in dem das Imprägnierharz zur Bildung des Vergusses des Leiters in der Nut durch ein Trägermedium, wie eine Faser, in den Leiter eingebracht wird.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrisches Isolationssystem EIS eines Elektromotors, zu mindest einen Leiter mit Draht-Wicklung in einer Nut eines Blechpakets eines Stators umfassend, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verguss um die Drähte im Leiter durch Imprägnierharz auf und in zumindest einem Träger, der mit Imprägnierharz be laden und zwischen den Wickel-Drähten im Leiter angeordnet ist, erhältlich ist, derart, dass die Hohlräume des Leiters mit dem Imprägnierharz aus dem Träger befüllt werden, wobei der Gehalt an Imprägnierharz, der durch Einbringen der Träger in den Leiter kommt, zum Verguss der Hohlräume im Leiter des Blechpakets ausreicht.
2. Isolationssystem nach Anspruch 1, wobei der Träger
Prepreg-Fasern umfasst.
3. Isolationssystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Prepreg-Fasern verwirbelte Fibrillen umfassen.
4. Isolationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prepreg-Fasern Kunststofffasern umfassen.
5. Isolationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prepreg-Fasern Glasfasern umfassen.
6. Isolationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prepreg-Fasern Filze umfassen.
7. Isolationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prepreg-Fasern im Wesentlichen gleich sind.
8. Isolationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prepreg-Fasern Fasergemische aus Fasern verschiede ner Längen umfassen.
9. Isolationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prepreg-Fasern Fasergemische aus Fasern verschiede ner Materialien umfassen.
10. Isolationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Leiter bis zu 35 Vol%, insbesondere bis zu 26 Vol% Imprägnierharz und Träger vorliegt.
11. Isolationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Leiter in Volumenanteilen Prepreg-Träger zu Wickel draht maximal 5 Vol% Prepreg-Faser zu 1 Vol% Wickeldraht vor liegt .
12. Elektrisches Isolationssystem EIS eines Elektromotors mit Draht-Wicklung als Leiter in den Nuten des Blechpakets, bei dem die Draht-Wicklung und zumindest ein Träger im Leiter in einem Verguss eingebettet sind, wobei der Verguss im Leiter um die Drähte und den zumindest einen Träger herum gleichmä ßig verteilt ist, weil das Imprägnierharz dazu nicht von au ßen in den Leiter geführt wird, sondern durch die Träger, die dazu mit Imprägnierharz im B-Zustand beladen sind und die mit den Wickeldrähten in der Wicklung verbleiben.
13. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Isolations systems EIS eines Elektromotors, folgende Verfahrensschritte umfassend :
- Wicklung eines Leiters aus Wickel-Draht und
Imprägnierharz-Träger
- Einziehen des so gebildeten Leiters in die Nuten eines Blechpakets eines Stators des Elektromotors
und
- Aushärten der imprägnierten Wickel-Draht-Träger- Isolation .
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem zwischen dem Einzie hen des Leiters und dem Aushärten ein Zwischenschritt zum
- Aufheizen des Stators im Heißluft-Ofen und/oder durch Strom-Heizung auf eine Temperatur, in der das Prepreg- Imprägnierharz im und an dem Imprägnierharz-Träger schmilzt und sich gleichmäßig in die angrenzenden Zwischenräume der einzelnen Wickel-Drähte in der Nut verteilt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, bei dem die gleichmäßige Verteilung des Imprägnierharzes zwischen den Wickeldrähten des Leiters und innerhalb der Nut zumindest teilweise über Kapillarkräfte erfolgt.
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