EP3776813A1 - Elektrisches isolationssystem eines elektromotors und herstellungsverfahren dazu - Google Patents

Elektrisches isolationssystem eines elektromotors und herstellungsverfahren dazu

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EP3776813A1
EP3776813A1 EP19723736.5A EP19723736A EP3776813A1 EP 3776813 A1 EP3776813 A1 EP 3776813A1 EP 19723736 A EP19723736 A EP 19723736A EP 3776813 A1 EP3776813 A1 EP 3776813A1
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EP
European Patent Office
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insulation system
impregnating resin
winding
conductor
volume
Prior art date
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Pending
Application number
EP19723736.5A
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English (en)
French (fr)
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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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Pending legal-status Critical Current

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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 slowly dipped into a liquid-impregnating resin tank, so that the liquid impregnating resin flows into the cavities between the individual wires, the groove and the laminated core and fill these cavities. Afterwards, the so impregnated stators are affected by temperature
  • Impregnating resin which fills the remaining cavities of the grooves in the immersion bath, in the volume that is still hollow after the wire winding, the finished encapsulation, for example in the form of a fully cured Duromers as
  • Potting compound is particularly important because the heat dissipation of the wire winding, the mechanical fixation against vibration, the partial discharge resistance to the
  • Laminated core and / or the passivation against dust and / or moisture of the laminated core and the conductor is guaranteed only by AS POSSIBLE complete filling with encapsulation.
  • Impregnating resin because, for example, the viscosity in
  • Immersion bath is not set low enough.
  • Impregnating resin can not be optimized by admixing certain Addi tive in the form of particulate fillers.
  • Such additives would be, for example, mica flakes to increase the partial discharge resistance, quartz powder, aluminum oxide and / or boron nitride to increase the thermal conductivity.
  • Impregnation methods such as vacuum impregnation, spray impregnation, etc. of stators are usually the result of inadequate impregnation resin uptake. Defects in the electrical insulation system EIS, which forms cavities in larger gaps over a large area.
  • the impregnating resins are costly further developed in that thixotroping of the impregnating resin is carried out in the dipping bath, i. the impregnating ver liquefies when immersing the stators due to the
  • the impregnating resin has a very narrow gelling area, although completely into the groove
  • the stators are partially preheated to use the effect of temperature-induced Viskosticiansver reduction during immersion.
  • Pre-crosslinking - also called gelation - in the conductor itself requires several minutes of process time.
  • the manufacturing process of the immersion impregnation is adapted to many different stator variants with regard to resin, speed and / or temperature, whereby only an average value is created, or the
  • Impregnating resin in the immersion bath is oversized for some less demanding stators.
  • Impregnating resin which in particular also includes additives and / or filling materials allows.
  • the subject of the present invention is an electrical insulation system EIS of an electric motor, comprising at least one conductor with winding wire in a groove of a sheet packet of a stator, characterized in that the wire winding is embedded in the conductor in a potting, in the volume enlarging Particles are present.
  • 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:
  • a carrier medium such as a fiber or a fiber composite
  • a carrier medium can be easily integrated into the winding process for the produc- tion of the wire winding, secondly loaded with enough content of impregnating resin to order the complete resin encapsulation for an electrical Isolati onsystem of an electric motor to provide and thirdly, the Loading the carrier medium, a filled impregnating ver can be used ver, so that any fillers and / or ad additives on the targeted introduction of an impregnating resin by means of carrier medium in the slot insulation can be inserted.
  • carrier medium or "impregnating resin carrier” are preferably used before lying prepreg fibers, alone or in combination with other carriers. Further carriers in this sense may be sponges and / or foams, for example.
  • a “conductor” is referred to herein a bundle of winding wires, which are wound together and form a bundle of winding wires, which is pulled into a groove of a laminated core.
  • the impregnating resin filled with volume-enlarging particles inflates during the production of the finished EIS, so that only in the ferti gene electric motor, a fixed ratio of wire to Stromervo lumen in the winding or in the conductor can be determined. Since the inflation is based on an increase in volume of the winding already in the groove, a volume can also be produced in the finished EIS! of more than 40 vol% in the conductor is detectable by the impregnating resin within the wire winding.
  • the prepreg fibers are wound simultaneously with the bundling of the winding wires, in particular the copper wires and so between tween the winding wires in the conductor with these in the winding and in the finished electric motor ,
  • the number of prepreg fiber turns is chosen to be as small as necessary in relation to the winding wire turns no space in the groove, which would be filled with winding wire to waste.
  • Prepreg fiber volume is accordingly in the voltage field between high enough that as complete as possible für trän effect of the stator after curing exists and as low as possible, so that the Volumenyogllgrad in the groove with Lei processing material, in particular with conductive winding wire, preferably with copper wire , does not suffer, selected.
  • the introduction of the impregnating resin for the production of the EIS can be varied very easily during the winding by addition / reduction of the wound prepreg fibers in a wide range.
  • long and / or continuous fibers are present in the conductor with winding wire in the ratio of 1 volume fraction of fiber to 3 volume portions of winding wire.
  • the United ratio prepreg fiber to winding wire in the range of 1 to 3, as described above, up to 2 volumes of prepreg fiber to 1 volume fraction winding wire, so more prepreg fiber shares than winding wire shares in the head.
  • the respective parts depend, for example, on the absorbency of the fiber, that is to say the resin content per volume fraction of fiber, the
  • Impregnating which is also referred to as a reaction resin, introduced and with this the carrier medium, through which the filled impregnating resin targeted in the slot insulation
  • the loaded carrier medium and / or The loaded fiber for example, referred to as "filled half stuff".
  • Impregnating resin volume by a factor of 2 cause.
  • additives can be introduced into the encapsulation of the slot insulation via the loading of a carrier medium with filled or unfilled impregnating resin.
  • a duromer such as an epoxy resin, bakelite, crosslinkable polyurethane and / or poly ester resin is used as the impregnating resin.
  • the decisive factor is that the impregnating resin B-state is capable.
  • the carrier which is used according to a preferred embodiment of the invention for introducing the impregnating resin into the conductor, is filled with the
  • B-state of a resin in the present case refers to a resin, for example a thermoset, which-especially at room temperature-gels superficially, may be slightly tacky, but has not yet hardened. stand is also characterized as a precursor and / or as a prepolymer be.
  • 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 support media used according to the invention preferably in the production of the conductor, so the winding of the conductive and insulated with wire enamel winding wires, Fa fibers which are used as prepreg fibers.
  • the pre-impregnation of a fiber for producing the prepreg fiber can be carried out, for example, by means of dip-impregnation of the fiber. Fibers are passed through an immersion bath containing the
  • Impregnating for example, a filled and / or additives with Ad-added impregnating resin, optionally diluted with a solvent contains.
  • the still unladen fiber is pulled through the dipping bath in a predetermined speed, 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 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 called "prepreg fiber.” It also falls under the term “semi-finished product”. In contrast, the fiber, which has no or only clotting conditions residual content of impregnating resin, simply referred to as "Fa ser". In the following, the mode of operation of the expanding particles is schematically illustrated by means of a figure.
  • winding wires 1 depending Weil surrounded by wire enamel 2 in both figures.
  • the winding wires 1 form, as can be seen on the left, together with the prepreg fibers 3, a bundle, the conductor 4.
  • the winding wires 1 are aligned the same, preferably of course parallel or approximately the same orientation, so quasi parallel in Head 4 ahead.
  • Foaming effect which causes a closure of larger cavities and defects with impregnating resin.
  • a functionally filled impregnating resin 3 in the B state is set, which learns from a certain curing temperature Expan sion, so that processing technology existing hollow spaces of the slot insulation are filled by the swelling material.
  • expandable, thermoplastic hollow spheres such as those of Akzo Nobel, available under the trade name Expancel®, can be used.
  • closed-cell system acts and just the macroscopic "open pores" are closed by the foaming, passivation and mechanical fixation is also ge given.
  • the partial discharge resistance is also improved with otherwise the same dielectric properties of the plastic in the faulty areas.
  • combi nation with the use of prepreg fibers as a carrier medium for impregnating thermally expanding, better thermally conductive, and / or partial discharge resistant impregnating resins and potting materials are used by Dipping impregnation would not be usable. This increases the service life and performance of the motors. In addition ent fall manufacturing costs by eliminating the Tauchbad- impregnation process.
  • the expansion sizes of the particles can be varied to further increase the partial discharge resistance, if necessary.
  • the expansion variable is preferably selected according to the Paschen equation, which states that partial discharges ignite only above a minimum pore size.
  • a smaller porosity deliberately introduced to increase the partial discharge resistance serves to prevent greater porosity, such as that between the conductor and the notches.
  • the surface insulation material so example, the paper ge, in volume enlargement in the Nutecken ge suppressed and thus the cavity between the conductor and
  • impregnation of a conductor-loaded laminated core is not achieved by dip impregnation, but by targeted introduction of a
  • Impregnating resin which is filled with volume-increasing particle ge, proposed in the grooves of the laminated core.

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 Herstellungsverfahren zur Herstellung eines derart verbesserten elektrischen Isolationssystems eines Elektromotors wie eine Nutisolation. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Imprägnierung eines Leiter-bestückten Blechpakets nicht durch Tauchimprägnierung, sondern durch gezieltes Einbringen eines Imprägnierharzes, das mit Volumen-vergrößernden Partikel gefüllt ist, in die Nuten des Blechpakets vorgeschlagen.

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 Wickeldraht, Flächenisolationsstoff, inklusive Drahtlack möglich, da sonst beispielsweise 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 Volumen in den Nuten des Blechpa- kets. 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 Nut und dem Blechpaket flie ßen und diese Hohlräume ausfüllen kann. Im Anschluss werden die so getränkten Statoren durch Temperatureinwirkung
und/oder UV-Bestrahlung über einen gewissen Zeitraum gehär tet. Dadurch wird aus dem flüssigen und/oder gelierten
Imprägnierharz, das im Tauchbad die verbleibenden Hohlräume der Nuten, in dem Volumen, das nach der Draht-Wicklung noch hohl ist, ausfüllt, der fertige Verguss, beispielsweise in Form eines vollständig ausgehärteten Duromers als
Vergussmasse .
Die möglichst vollständige Füllung der Hohlräume mit
Vergussmasse ist insbesondere deshalb so wichtig, weil die Entwärmung der Drahtwicklung, die mechanische Fixierung gegen Schwingungen, die Teilentladungsresistenz gegenüber dem
Blechpaket und/oder die Passivierung gegen Staub und/oder Feuchtigkeit des Blechpakets und des Leiters nur durch mög lichst vollständige Füllung mit Verguss gewährleistet ist.
Eine vollständige Füllung der vorliegenden Zwischenräume ist jedoch mit herkömmlichen Methoden, wie beispielsweise einer Tauchimprägnierung sowie der geforderten Fertigungsvarianz, bei der Imprägnierharz und Tauchverfahren nicht auf eine Stator-Sorte optimiert, sondern auf einen Mittelwert über al- le, die auf dieser Fertigungslinie imprägniert werden, einge stellt sind, nicht möglich. Es verbleiben eigentlich immer Hohlräume und Fehlstelle, etwa durch zurückfließendes
Imprägnierharz und/oder nicht ordentlich einfließendes
Imprägnierharz, weil beispielsweise die Viskosität im
Tauchbad nicht niedrig genug eingestellt ist.
Im Tauchbad können die genannten Eigenschaften des
Imprägnierharzes auch nicht durch Zumischung bestimmter Addi tive in Form von partikulären Füllstoffen optimiert werden. Derartige Additive wären beispielsweise Glimmerplättchen zur Erhöhung der Teilentladungsresistenz, Quarzmehl, Aluminium oxid und/oder Bornitrid zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit.
Aufgrund der steigenden Viskosität und/oder dem Absetzverhal ten im Tauchbad können über ein Tauchbadverfahren keine Addi tive in das Imprägnierharz, das später den Verguss des Lei ters im Isolationssystem bildet, eingebracht werden.
Bei der Tauch-Imprägnierung und auch bei den anderen
Imprägniermethoden wie Vakuumimprägnierung, Sprühimprägnie rung etc. von Statoren ergeben sich meist durch ungenügende Imprägnierharz-Aufnahme Fehlstellen im elektrischen Isolati onssystem EIS, die flächig in größeren Spalten Hohlräume bil den. Insbesondere durch eine so genannte „wilde Wicklung", die eine gestörte Ordnung zwischen Nutkasten und Blechpaket erzeugt, werden derartige Fehlstellen geschaffen, die eine überproportionale Minderung der mechanischen Fixierung der Wickel-Drähte im Verguss bewirken, weil die Wickel-Drähte teilweise mehrere Zentimeter lang keine Fixierung haben und somit anfällig für mechanische Oberschwingungen des Motors sind. Dies endet im Betrieb des Öfteren in Brüchen der elekt rischen Metallleitungen, insbesondere der Kupferleitungen, die sich in den Wickel-Drähten unter dem isolierenden Draht lack befinden. Darüber hinaus sind solche großflächigen Fehlstellen quasi offenporig und somit anfällig für Staub, metallischen Abrieb und Feuchtigkeit, wodurch die Leistungs- fähigkeit des Motors und letztendlich auch dessen Lebensdauer beeinträchtigt werden.
Bisher werden die Imprägnierharze kostspielig insofern wei terentwickelt, dass eine Thixotropierung des Imprägnierharzes im Tauchbad vorgenommen wird, d.h. das Imprägnierharz ver flüssigt sich beim Eintauchen der Statoren aufgrund der
Scherverdünnung und verbleibt dann höher viskos in der Nut.
Darüber hinaus weist das Imprägnierharz einen sehr schmalen Gelierbereich auf, um zwar vollständig in die Nut
zu fließen, dann aber zuverlässig zu gelieren, gleichzeitig aber an der etwas kälteren Außenseite des Blechpakets best möglich wieder abzufließen, da hier das Harz eher hinderlich ist. Hierbei werden teilweise die Statoren vorgeheizt um beim Eintauchen den Effekt der temperaturbedingten Viskositätsver ringerung zu nutzen. Die Vorvernetzung - auch Gelierung ge nannt - im Leiter selbst benötigt hierbei mehrere Minuten Prozesszeit. Generell ist der Fertigungsprozess der Tauchim prägnierung auf viele verschiedene Stator-Varianten hinsicht lich Harz, Geschwindigkeit und/oder Temperatur abgestimmt, wodurch nur ein Mittelwert geschaffen wird, bzw. das
Imprägnierharz im Tauchbad für einige weniger anspruchsvolle Statoren überdimensioniert ist.
Somit ist die Tauchimprägnierung im Mittel über alle Stator- Varianten oftmals mit flächigen Fehlstellen verbunden, was zu den oben angeführten Missständen führt, wie sehr geringe Wär meleitfähigkeit und/oder Hotspots durch Luftspalten, Teilent ladungen in großen luftgefüllten Lücken, mechanische Belas tungen von großflächig nicht fixierten Drähten, Feuchtig- keitseinzug/Staub, wie in Figur 1, die den Stand der Technik zeigt, dargestellt. Diese Probleme können durch eine opti mierte Parametereinstellung der Tauchimprägnierung sowie ein hochentwickeltes, insbesondere hinsichtlich seines Gelpunktes hochentwickeltes Imprägnierharz nur minimiert und nicht ver hindert werden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Mög lichkeit zu schaffen, die eine zielgerichtete Füllung der Nu ten eines Stators mit einem für den Motortyp geeigneten
Imprägnierharz, das insbesondere auch Additive und/oder Füll stoffe umfasst, ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Er findung, wie er in der Beschreibung, den Figuren und den An sprüchen offenbart wird, gelöst.
Dementsprechend ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein elektrisches Isolationssystem EIS eines Elektromotors, zumin dest einen Leiter mit Wickel-Draht in einer Nut eines Blech pakets eines Stators umfassend, dadurch gekennzeichnet, dass die Draht-Wicklung im Leiter in einen Verguss eingebettet ist, in dem volumenvergrößernde Partikel vorliegen. Darüber hinaus ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfah ren zur Herstellung eines elektrischen Isolationssystems EIS eines Elektromotors, folgende Verfahrensschritte umfassend:
- Bildung eines Leiters aus Wickel-Draht und mit gefülltem Imprägnierharz beladenem Trägermedium
- Einziehen des gebildeten Leiters in die Nuten eines
Blechpakets eines Stators des Elektromotors,
- Aufwärmen des Blechpakets in einer Temperatur und Ge schwindigkeit, dass im Imprägnierharz vorhandene gasge füllte Partikel sich unter Volumenvergrößerung so aus dehnen, dass sie das Volumen des noch nicht gehärteten Imprägnierharzes vergrößern und
- Aushärten der imprägnierten Wickel-Draht-Träger- Isolation .
Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass ein Träger medium, wie beispielsweise eine Faser oder ein Faserverbund, sich einerseits problemlos in den Wickel-Prozess zur Herstel lung der Draht-Wicklung integrieren lässt, sich zweitens mit genug Gehalt an Imprägnierharz beladen lässt, um damit den vollständigen Kunstharz-Verguss für ein elektrisches Isolati onssystem eines Elektromotors zu stellen und drittens, beim Beladen des Trägermediums ein gefülltes Imprägnierharz ver wendet werden kann, so dass beliebige Füllstoffe und/oder Ad ditive über die gezielte Einbringung eines Imprägnierharzes mittels Trägermedium in die Nutisolation einführbar sind.
Als „Trägermedium" oder „Imprägnierharz-Träger" werden vor liegend bevorzugt Prepreg-Fasern, allein oder in Kombination mit weiteren Trägern eingesetzt. Weitere Träger in diesem Sinne können beispielsweise Schwämme und/oder Schäume sein.
Als „Leiter" wird vorliegend ein Bündel von Wickel-Drähten bezeichnet, die zusammen gewickelt werden und ein Bündel von Wickel-Drähten bilden, das in eine Nut eines Blechpakets ein gezogen wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung bläht sich das mit Volumen vergrößernden Partikel gefüllte Imprägnierharz während der Herstellung der fertigen EIS auf, so dass hier erst im ferti gen Elektromotor ein fixes Verhältnis von Draht zu Trägervo lumen in der Wicklung oder im Leiter bestimmt werden kann. Da durch das Aufblähen von einer Volumenvergrößerung der bereits in der Nut liegenden Wicklung ausgegangen wird, kann auch im fertigen EIS ein Volumen! von mehr als 40Vol% im Leiter durch das Imprägnierharz innerhalb der Draht-Wicklung nachweisbar sern .
Dabei ist es insbesondere auch vorteilhaft, wenn die Prepreg- Fasern gleichzeitig mit der Bündelung der Wickel-Drähte, ins besondere der Kupfer-Drähte mit gewickelt werden und so zwi schen den Wickel-Drähten im Leiter mit diesen in der Wicklung und im fertigen Elektromotor vorliegen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird da bei die Anzahl der Prepreg-Faserwindungen 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 eine möglichst vollständige Durchträn kung des Statorpakets nach der Härtung vorliegt und so gering wie möglich, damit der Volumenfüllgrad in der Nut mit Lei tungsmaterial, insbesondere mit leitfähigem Wicklungs-Draht, bevorzugt mit Kupferdraht, nicht darunter leidet, ausgewählt. Durch die Einbringung des Imprägnierharzes zur Herstellung des EIS kann dabei je nach Motorentyp ganz einfach bei der Wicklung durch Zugabe /Reduktion der mit gewickelten Prepreg- Fasern in weiten Bereichen variiert werden.
Beispielsweise liegen Lang- und/oder Endlos-Fasern im Leiter mit Wickeldraht im Verhältnis von 1 Volumen-Anteil Faser zu 3 Volumen-Anteilen Wickeldraht vor. Insbesondere liegt das Ver hältnis Prepreg-Faser zu Wickeldraht im Bereich von 1 zu 3, wie oben beschrieben, bis zu 2 Volumenanteile Prepreg-Faser zu 1 Volumenanteil Wickel-Draht, also mehr Prepreg-Faser- Anteile als Wickeldraht-Anteile im Leiter. Die jeweiligen An teile richten sich beispielsweise nach der Saugfähigkeit der Faser, also dem Harzinhalt pro Volumenanteil Faser, dem
Durchmesser der Faser etc.
Insbesondere vorteilhaft ist bei der gezielten Einführung von Imprägnierharz die Füllung mit volumenvergrößernden Füllstof fen, wie beispielsweise gasgefüllten Mikrokapseln, die unter anderem von der Firma Akzo Nobel unter dem Namen Expancel® im Handel erhältlich sind.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform werden 1 bis 10 Gew% dieser volumenvergrößernden Partikel in das flüssige
Imprägnierharz, das auch als Reaktionsharz bezeichnet wird, eingebracht und mit diesem das Trägermedium, durch das das gefüllte Imprägnierharz gezielt in die Nutisolation
einbringbar ist, beladen. Das beladene Trägermedium und/oder die beladene Faser werden beispielsweise als „gefülltes Halb zeug" bezeichnet.
Durch Einbringung von beispielsweise zwischen 2 Gew% und 6 Gew%, insbesondere zwischen 3 Gew% und 5 Gew%, kann eine Vo lumenvergrößerung des Trägermediums und/oder des
Imprägnierharz-Volumens um den Faktor 2 bewirken.
Darüber hinaus können über die Beladung eines Trägermediums mit gefülltem Imprägnierharz weitere Füllstoffe, wie Glimmer, Aluminiumoxid, Bornitrid in beliebigen Füllstofffraktionen in die Nutisolation eingebracht werden.
Des Weiteren können über die Beladung eines Trägermediums mit gefülltem oder ungefülltem Imprägnierharz verschiedene Addi tive in den Verguss der Nutisolation eingebracht werden.
Beispielsweise wird als Imprägnierharz ein Duromer, wie ein Epoxidharz, Bakelit, vernetzbares Polyurethan und/oder Poly esterharz eingesetzt.
Entscheidend dabei ist, dass das Imprägnierharz B-Zustand fä hig ist. Der Träger, der nach einer bevorzugten Ausführungs form der Erfindung zum Einbringen des Imprägnierharzes in den Leiter genutzt wird, wird dazu mit dem gefüllten
Imprägnierharz im B-Zustand beladen, um das Imprägnierharz in den Leiter zu bringen. Danach wird der Leiter samt Stator er wärmt, so dass das Imprägnierharz wieder schmlizt und sich homogen im Leiter verteilen kann. Erst nach erfolgter homoge ner Verteilung des Imprägnierharzes im Leiter wird dieser so weit erhitzt, dass eine vollständige Durch-Härtung des
Imprägnierharzes zum fertigen Verguss resultiert.
Als „B-Zustand eines Harzes" wird vorliegend ein Harz, bei spielsweise ein Duromer bezeichnet, das - insbesondere bei Raumtemperatur - oberflächlich geliert, gegebenenfalls leicht klebrig, aber noch nicht durch gehärtet vorliegt. Dieser Zu- stand wird auch als Vorprodukt und/oder als Prepolymer be zeichnet .
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.
Die gemäß der Erfindung bevorzugt bei der Herstellung des Leiters, also der Wicklung der leitfähigen und mit Drahtlack isolierten Wickel-Drähte, eingesetzten Trägermedien sind Fa sern, die als Prepreg-Fasern verwendet werden. Das Vorimpräg nieren einer Faser zur Herstellung der Prepreg-Faser kann beispielsweise durch eine Tauchimprägnierung der Faser erfol gen. Dabei werden Fasern durch ein Tauchbad, das das
Imprägnierharz, beispielsweise ein gefülltes und/oder mit Ad ditiven versetztes Imprägnierharz, gegebenenfalls mit einem Lösungsmittel verdünnt, enthält. Die noch unbeladene 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". Sie fällt auch unter den Begriff „Halbzeug". Im Gegensatz dazu wird die Faser, die keinen oder nur gerin gen Rest-Gehalt an Imprägnierharz ausweist, schlicht als „Fa ser" bezeichnet. Im Folgenden wird anhand einer Figur die Funktionsweise der expandierenden Partikel schematisch dargestellt.
Zu erkennen sind in beiden Figuren die Wickel-Drähte 1, je weils von Drahtlack 2 umgeben. Die Wickel-Drähte 1 bilden, wie jeweils links zu sehen ist, zusammen mit den Prepreg- Fasern 3 ein Bündel, den Leiter 4. Die Wickel-Drähte 1 liegen dabei gleich ausgerichtet, bevorzugt natürlich parallel oder ungefähr gleich ausgerichtet, also quasi parallel im Leiter 4 vor .
In den Figuren 1 und 2 mittig ist der Ausschnitt A der linken Seite der Figuren 1 und 2 gezeigt, wobei der Ausschnitt A stark vergrößert dargestellt ist. In der jeweils mittigen Darstellung ist dabei erkennbar, dass im Imprägnierharz 5 des Trägermediums, wie der Prepreg-Faser 3, Füllstoffe 6 vorlie gen. Ganz rechts in den beiden Figuren 1 und 2 wird wiederum ein Ausschnitt B aus der mittigen Darstellung A vergrößert wieder gegeben. Zu erkennen ist dabei, dass die Füllstoffpar tikel durch Volumenvergrößerung bei einer definierten Tempe ratur erweichen und expandieren. Dabei setzt ein
Schäumungseffekt ein, der einen Verschluss größerer Hohlräume und Fehlstellen mit Imprägnierharz bewirkt. Hier wurde ein funktionell gefülltes Imprägnierharz 3 im B-Zustand einge setzt, das ab einer bestimmten Härtungstemperatur eine Expan sion erfährt, so dass verarbeitungstechnisch vorhandene Hohl räume der Nutisolation durch das quellende Material gefüllt werden. Hierzu können beispielsweise expandierende, thermo plastische Hohlsphären wie die der Firma Akzo Nobel, unter dem Handelsnamen Expancel® erhältlich, eingesetzt werden.
Es hat sich gezeigt, dass zusätzlich zur vollständigeren Fül lung der Hohlräume die Wärmeleitfähigkeit und die Teilentla dungsresistenz des elektrischen Isolationssystems EIS unter Verwendung eben solcher Partikel verbessert werden konnte.
In Tests konnte gezeigt, werden, das selbst kleine Mengen an dem volumenvergrößernden Partikel bei entsprechender Tempera- tur einen starken Schäumungseffekt mit einer Volumen- Vergrößerung um ein Vielfaches zeigen.
In weiteren Tests konnte nachgewiesen werden, dass gedrillte Prepreg-Fasern mit Kupferleitern bereits vor der vollständi gen Aushärtung, im B-Zustand eine deutliche Volumenvergröße rung zeigen. So konnte eine Nutisolation, die grundsätzlich frei von makroskopisch erkennbaren Poren ist, wiederholt her gestellt werden. Die einzelnen Wickel-Drähte werden durch Schäumungskraft auseinandergetrieben und mechanisch im
Verguss fixiert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können funktionell gefüllte Reaktions- und/oder Imprägnierharze eingesetzt werden, die über die Beladung eines Trägermediums, wie einer Faser, als Prepreg-Faser in die Nutisolation einführbar sind. Diese ge füllten Imprägnierharze eignen sich nicht für ein
Imprägnierverfahren per Tauchbad.
Nach einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wur den zudem über 50 Gew% Quarzmehl mit in das Prepreg einge bracht, um die Wärmeleitfähigkeit des mikroporösen Materials zu erhöhen. Somit ergibt sich trotz der positiven Wirkung des Schäumungseffekts kein Nachteil in der Wärmeleitfähigkeit an den sonst luftumschlossenen Hotspots, welche durch das
Tauchimprägnierverfahren entstehen. Da es sich um ein
geschlossenporiges System handelt und eben die makroskopi schen „offenen Poren" durch die Schäumung geschlossen werden, ist eine Passivierung und mechanische Fixierung ebenfalls ge geben. Die Teilentladungsresistenz ist bei sonst gleichen dielektrischen Eigenschaften des Kunststoffes in den fehler haften Bereichen ebenso verbessert.
Durch die vorliegende Erfindung wird gezeigt, dass in Kombi nation mit der Verwendung von Prepreg-Fasern als Trägermedium für Imprägnierharz thermisch expandierende, besser wärmeleit fähige, und/oder Teilentladungsresistentere Imprägnierharze und Verguss-Materialien zum Einsatz kommen, die mittels Tauchimprägnierung nicht verwendbar wären. Somit werden die Lebensdauer und die Leistung der Motoren erhöht. Zudem ent fallen Fertigungskosten durch Wegfall des Tauchbad- Imprägnier-Prozesses .
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden im Stator der Deckschieber und/oder der Nutkasten und/oder die Bandagen mit funktionellen Partikeln und/oder funktionell gefüllten Imprägnierharzen vorimprägniert werden um die
Imprägnierharz-Menge im Stator weiter zur erhöhen.
Die Expansionsgrößen der Partikel können variiert werden um gegebenenfalls die Teilentladungsresistenz weiter zu erhöhen. Dabei wird die Expansionsgröße bevorzugt gemäß der Paschen- Gleichung, die besagt, dass Teilentladungen erst ab einer Mindest-Porengröße zünden, gewählt. So dient eine bewusst zur Steigerung der Teilentladungsresistenz eingebrachte kleinere Porosität dazu, eine größere Porosität, wie die zwischen dem Leiter und den Nutecken, zu verhindern. Die insbesondere auch deswegen, weil das Flächenisolationsmaterial, also beispiels weise das Papier, bei Volumenvergrößerung in die Nutecken ge drückt wird und damit den Hohlraum zwischen Leiter und
Nutecke verkleinert und damit das Risiko von Teilentladungen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Imprägnierung ei nes Leiter-bestückten Blechpakets nicht durch Tauchimprägnie rung, sondern durch gezieltes Einbringen eines
Imprägnierharzes, das mit Volumen-vergrößernden Partikel ge füllt ist, in die Nuten des Blechpakets vorgeschlagen.

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 die Draht-Wicklung im Leiter in einen Verguss eingebet tet ist, in dem volumenvergrößernde Partikel vorliegen.
2. Isolationssystem nach Anspruch 1, wobei der Leiter neben den Wickel-Drähten zumindest einen Träger zur Versorgung der Draht-Wicklung mit Imprägnierharz umfasst.
3. Isolationssystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Verguss Füllstoffe aufweist.
4. Isolationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verguss Glimmerpartikel als Füllstoff aufweist.
5. Isolationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verguss Aluminiumoxid-Partikel als Füllstoff auf weist.
6. Isolationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verguss Bornitrid-Partikel als Füllstoff aufweist.
7. Isolationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Träger Fasern umfasst.
8. Isolationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die volumenvergrößernden Partikel gasgefüllte Partikel umfassen .
9. Isolationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verguss Additive aufweist.
10. Isolationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verguss ein Epoxidharz umfasst.
11. Isolationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verguss im Wesentlichen frei von Makroporen ist.
12. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Isolations systems EIS eines Elektromotors, folgende Verfahrensschritte umfassend :
- Bildung eines Leiters aus Wickel-Draht und mit gefülltem Imprägnierharz beladenem Trägermedium
- Einziehen des gebildeten Leiters in die Nuten eines
Blechpakets eines Stators des Elektromotors,
- Aufwärmen des Blechpakets in einer Temperatur und Ge
schwindigkeit, dass im Imprägnierharz vorhandene gasge füllte Partikel sich unter Volumenvergrößerung so aus dehnen, dass sie das Volumen des noch nicht gehärteten Imprägnierharzes vergrößern und
- Aushärten der imprägnierten Wickel-Draht-Träger- Isolation .
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem als Trägermedium Fa sern in Form von Prepreg-Fasern eingesetzt werden.
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