EP4183028A1 - Pulverlack-formulierung für ein isolationssystem einer elektrischen maschine, elektrische maschine mit einem solchen isolationssystem und verfahren zum herstellen eines solchen isolationssystems - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pulverlackformulierung für ein Isolationssystem (12) einer elektrischen Maschine (10), insbesondere einer rotierenden elektrischen Maschine (10) mit einer Bemessungsspannung von mindestens 700 V, umfassend wenigstens ein härtbares Harzgemisch, wobei die Pulverlackformulierung zusätzlich sphärische Quarzgut- Füllstoffpartikel umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Maschine (10), umfassend zumindest einen Leiter (8) und ein solches Isolationssystem (12) sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Isolationssystems (12) einer elektrischen Maschine (10).

Description

Beschreibung

Pulverlack-Formulierung für ein Isolationssystem einer elektrischen Maschine, elektrische Maschine mit einem solchen Isolationssystem und Verfahren zum Herstellen eines solchen Isolationssystems

Die Erfindung betrifft eine Pulverlackformulierung für ein Isolationssystem einer elektrischen Maschine, insbesondere einer rotierenden elektrischen Maschine mit einer Bemessungs- spannung von mindestens 500V bis 700V. Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Maschine mit einem solchen Isola- tionssystem sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Isola- tionssystems einer elektrischen Maschine.

Es werden immer leistungsstarkere elektrische Maschinen, wie beispielsweise Generatoren, entwickelt, da die fortschreiten- de Technik immer höhere Leistungsdichten verlangt. Ein leis- tungsstarker Generator, wie beispielsweise ein Turbogenera- tor, weist insbesondere einen Ständer oder Stator mit einem Ständerblechpaket und einer Mehrzahl an Generatornuten, in denen sich das Isolationssystem, in der Regel in Form von Wicklungen, befindet. Grundsätzlich wird ab einer Bemessungs- spannung von 1000V eine gewickelte Isolation eingesetzt, bei elektrischen Maschinen unter 1000V, beispielsweise bei Trak- tionsmotoren, werden Nut-Einleger Isolationen eingesetzt.

Für die Zuverlässigkeit, Sicherheit und den Wirkungsgrad ei- ner elektrischen Maschine, beispielsweise eines Generators für den Bereich der Bemessungsspannung von mindestens 500V, insbesondere mindestens 700V, bis in den Hochspannungsbereich hinein ist das Isolationssystem von entscheidender Bedeutung. Dies betrifft den Niederspannungsbereich genauso wie den Hochspannungsbereich von mehr als 52kV.

Während des Betriebs solcher Maschinen sind Feldstärken in- nerhalb des Isolationssystems von mehreren kV/mm keine Sel- tenheit. Dementsprechend stark wird das Isolationssystem be- ansprucht. Das IsolationsSystem von Generatoren, basierend auf z.B. epoxidharzimprägnierten Glimmerbändern, sorgt für die Isolation des oder der unter Hochspannung stehenden Lei- ter gegen den geerdeten Stator. Es besitzt eine hohe Teilent- ladungseinsetzspannung, was es ermöglicht, bis zu 3,5 kV pro Millimeter oder mehr dauerhaft abzubauen.

Derzeit bekannte Formulierungen auf Harzbasis zur Herstellung von Isolierungssystemen, umfassen neben einer härtbaren Harz- formulierung beispielsweise auf Epoxidbasis häufig Füllstoffe mit einer hohen spezifischen Oberfläche. Je nach Anwendung können weitere Additive zugegeben sein, z.B. Initiatoren bzw. Beschleunigersubstanzen, die initiierend auf die Härtung ei- ner aufgebrachten Imprägnier- und/oder Pulverlackformulierung zu einem festen Isolierungssystem wirken. Eine Imprägnier- Formulierung liegt im Wesentlichen flüssig vor, wohingegen eine Pulverlackformulierung ein pulvriges Gemisch ist und als Mischung von Feststoffen vorliegt. Als Füllstoff wird in bei- den Fällen nach dem Stand der Technik beispielsweise Glimmer verwendet, da es als partikel-, insbesondere als plättchen- förmiger, anorganischer Barrierewerkstoff die elektrische Erosion unter elektrischen Teilentladungen wirkungsvoll und dauerhaft, vorzugsweise über die gesamte Lebensdauer der Ma- schine oder des Generators hinweg, zu retardieren vermag und gute chemische sowie thermische Beständigkeit aufweist.

Allerdings erhöhen die bekannten Füllstoffe die Viskosität der Formulierungen erheblich. Eine hohe Viskosität einer For- mulierung zur Herstellung eines Isolationssystems, sei es durch Versprühen, Eintauchen in ein Wirbelbett, Beschichten und/oder durch Imprägnieren mit einer Flüssigkeit, führt aber zu einer schlechten Entgasbarkeit, wodurch Poren, insbesonde- re mit Luft gefüllte Poren, im gehärteten Isolierungssystem entstehen können. Es hat sich gezeigt, dass ein porenfreies Isolationssystem wichtig für die elektrische Lebensdauer der hier in Rede stehenden elektrischen Maschinen ist. Luft be- sitzt eine relativ geringe dielektrische Festigkeit, wodurch schon bei relativ geringen Feldstärken Teilentladungen auf- treten können. Deshalb müssen im Harzanteil eines Isolations- systems Lufteinschlüsse vermieden werden. Auch die Oberflä- chengüte von hochviskosen und damit schlecht verlaufenden Formulierungen ist mangelhaft.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Formulierung, insbesondere eine Pulverlackformulierung zu schaffen, die die Herstellung eines Isolationssystems mit verbesserten Isolie- rungseigenschaften ermöglicht. Weitere Aufgaben der Erfindung bestehen darin, eine elektrische Maschine mit einem entspre- chend verbesserten Isolationssystem sowie ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechend verbesserten Isolationssystems einer elektrischen Maschine zu schaffen.

Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine Pulverlackfor- mulierung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 13 zur Herstellung eines Isolationssystems einer elektrischen Maschine gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angege- ben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jedes Erfindungsas- pekts als vorteilhafte Ausgestaltungen der jeweils anderen Erfindungsaspekte anzusehen sind.

Eine Pulverlackformulierung wie sie hier beispielsweise ein- setzbar ist, umfasst bevorzugt folgende Komponenten: a)Harzgemisch, b)Härter, c)Beschleuniger d) Füllstoff, e)Additive: insbesondere umfassend zumindest ein Entga- sungsadditiv und/oder zumindest ein Verlaufsadditiv.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Pulverlackfor- mulierung für ein Isolationssystem einer elektrischen Maschi- ne, insbesondere einer rotierenden elektrischen Maschine für den Hochspannungs- oder Niederspannungsbereich, umfassend we- nigstens ein härtbares Harzgemisch, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die Pulverlackformulierung zusätzlich sphärische Füllstoffpartikel aus Siliziumdioxid -SiO₂- um- fasst. Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass als Füllstoff in der Pulverlackformulierung runde Parti- kel vorgesehen sind. Dies erlaubt die Herstellung eines Iso- lationssystems mit verbesserten Isolierungseigenschaften, da runde Partikel im Vergleich zu plättchenförmigen Füllstoffen wie Glimmer eine deutlich geringere spezifische Oberfläche besitzen. Dadurch ist es möglich, bei gleicher Viskosität mehr Füllstoff in die Pulverlackformulierung einzubringen oder umgekehrt bei gleichem Füllstoffgehalt eine geringere Viskosität zu erzielen. Vorzugsweise ist die Pulverlackformu- lierung daher frei von Glimmerplättchen ausgebildet. Mehr Füllstoff in der Pulverlackformulierung und/oder eine gerin- gere Viskosität der Pulverlackformulierung führt zu verbes- serten Auftrags- und Entgasungseigenschaften der Pulverlack- formulierung und damit zu besseren Isolierungseigenschaften, besserer und/oder einer höheren Oberflächengüte des resultie- renden Isolationssystems. Damit kann ein möglichst Luftein- schluss-freies und/oder porenfreies Isolationssystem mit ei- ner möglichst hohen Füllstoffkonzentration die sich auch vorteilhaft auf die Angleichung der jeweiligen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auswirkt - hergestellt werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das herkömmlicherweise flüssig vorliegende Epoxidharz durch Feststoff, nicht durch Kristallite ersetzt. Kristallinität des Harzes würde die Kos- ten der Formulierung hochtreiben, ohne eine Verbesserung zu bewirken, weil die Reinheit, die Kristallite brauchen, durch die Füllstoffzugabe sowieso wieder zerstört wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorge- sehen, dass die Pulverlackformulierung zusätzlich nicht- sphärische Füllstoffpartikel, insbesondere unregelmäßig ge- formte Füllstoffpartikel und/oder plättchenförmige Füllstoff- partikel, insbesondere mit einem Formfaktor zwischen 1 bis 3, unter Umständen aber auch größer 10, umfasst. Mit anderen Worten weist ein Teil der Füllstoffpartikel der Pulverlack- formulierung keine sphärische oder vornehmlich runde Form auf, sondern ist unregelmäßig und/oder plättchenförmig ausge- bildet. Der "Formfaktor", wie er hier verwendet wird, ist ein Maß für das Verhältnis von Partikeldurchmesser zu Partikeldi- cke für eine Population von Partikeln unterschiedlicher Größe und Form und kann beispielsweise mit den im U.S. Patent 5,576,617 beschriebenen Methoden, Apparaten und Gleichungen ermittelt werden. Je höher der Formfaktor ist, umso plätt- chenförmiger, das heißt flacher und länglicher sind die Par- tikel ausgebildet. Beispielsweise kann der Formfaktor 60, 90, 120 oder mehr betragen. Hierdurch können die rheologischen Eigenschaften der Pulverlackformulierung sowie die elektri- schen Isolierungseigenschaften des aus dieser hergestellten Isolationssystems optimal an den jeweiligen Einsatzzweck an- gepasst werden.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Füllstoffpartikel dielektrisch und/oder kristallin und/oder amorph sind. Indem die Füllstoffpartikel elektrisch nichtleitend sind, wird eine entsprechend gute Isolierungseigenschaft sichergestellt.

Durch die Verwendung von kristallinen und/oder amorphen Füll- stoffpartikein können die rheologischen Eigenschaften der Pulverlackformulierung und ihre Entgasungseigenschaften ein- gestellt werden.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die SiO₂- Füllstoffpar- tikel Quarzmehl, Quarzgut und/oder Quarzglas umfassen.

Quarzgut und/oder Quarzglas wird als amorphe Modifikation von Quarz synthetisch hergestellt. Es besitzt eine Reihe von vor- teilhaften Eigenschaften, insbesondere einen sehr niedrigen thermischen linearen Ausdehnungskoeffizient (0,5*10^-6*K-₁) so- wie eine hervorragende Elastizität und Temperaturwechsel- Beständigkeit. Ebenso weist es eine hohe Transformations- und Erweichungstemperatur und eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Sphärisches Quarzgut ist zwar teurer als nicht- sphärisches Quarzgut, besitzt aber wie bereits erwähnt eine deutlich geringere spezifische Oberfläche und erlaubt damit die Realisierung der vorstehend genannten Vorteile. Ein kom- merziell verfügbarer Füllstoff, der diese Eigenschaften be- sitzt, ist das Produkt BRUCAFIL® 1431 Quarzgut der Firma HPF Quarzwerke GmbH, Frechen. Ebenso besitzt Quarzglas eine hohe chemische Beständigkeit, eine hohe Erweichungstemperatur und Temperaturbeständigkeit sowie eine niedrige thermische Aus- dehnung bei hoher Temperaturwechselbeständigkeit. Siliziumdi- oxid ist generell sehr resistent gegenüber elektrischen Ent- ladungen und kann unter sehr starken Entladungen sogar erwei- chen und eine Art Schutzschicht gegenüber elektrischen Entla- dungen ausbilden.

Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, dass die sphärischen oder annähernd sphärischen Füllstoffpartikel mit einem Mas- senanteil zwischen 5 Gew.-% und 70 Gew.-%, insbesondere zwi- schen 30 Gew.-% und 65 Gew.-%, insbesondere zwischen 40 Gew% und 60 Gew%, bezogen auf die Gesamtmasse der Pulverlackformu- lierung, vorliegen. Auch hierdurch können die rheoiogischen Eigenschaften der Pulverlackformulierung und ihre Entgasungs- eigenschaften optimal auf den jeweiligen Einsatzzweck einge- stellt werden. Vorzugsweise sind mindestens 30 % aller Füll- stoffpartikel sphärisch, insbesondere mindestens 50 %, vor- zugsweise mindestens 75 % und insbesondere mindestens 80 %.

Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, dass die Füllstoffpar- tikel eine Korngrößenverteilung D₅₀ zwischen 1 μm und 50 μm, insbesondere zwischen 3 μm und 7 μm, und/oder einen maximalen Korndurchmesser von 100 μm, insbesondere von 50 μm, und/oder einen Längenausdehnungskoeffizienten von höchstens 20 * 10-

^6*K^-1, insbesondere von höchstens 0,5 * 10^-6*K^-1, und/oder eine relative Permittivität zwischen 1 und 7 bei 18 °C und 50 Hz, insbesondere zwischen 3 und 4,5, aufweisen. Durch einen ge- ringen Längenausdehnungskoeffizienten, beispielsweise eine Wärmeausdehnung von 0,5 * 10^Λ-6 /K, kann im Isolationssystem ein vielfach geringerer Wärmeausdehungskoeffizient als derje- nige der Harzkomponente realisiert werden. Je nach Füllstoff- konzentration in der Pulverlackformulierung kann somit der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient der gesamten Pulverlack- formulierung erheblich reduziert werden. Mit einer Permitti- vität von zwischen 1 und 7, beispielsweise 3,7, besitzt der Füllstoff fast die gleiche wie übliche Harze -diese kann mit ca. 3,5 angegeben werden - und sorgt deshalb für so gut wie keine Feldüberhöhung im Isolationssystem. Vorzugsweise be- trägt der D₅₀-Wert der Füllstoffpartikel zwischen etwa 30 % und etwa 100 % der Dicke des späteren Isolationssystems. Vor- zugsweise sind die Füllstoffpartikel so klein, dass sie durch eine Sprühdüse mit oder ohne Druckluft - applizierbar sind.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Füllstoffpartikel zumindest teilweise oberflächenmodifiziert, insbesondere silanisiert sind. Hierdurch können die Anbindung des Füll- stoffes an das Harz und gleichzeitig seine Verarbeitungsei- genschaften verbessert werden. Eine solche Oberflächenmodifi- zierung kann beispielsweise mit Silanen realisiert werden, wodurch die FüllstoffOberfläche epoxidfunktionalisiert, amin- funktionalisiert, vinylfunktionalisiert etc. werden kann, wodurch die Füllstoffpartikel kovalent an die Harz-Matrix an- gebunden werden können.

Das Harzgemisch der versprühbaren, also noch ungehärteten, Pulverlackformulierung umfasst in der Regel zumindest eine monomere und/oder oligomere, gegebenenfalls kettenverlänger- te, Duromerharzkomponente, insbesondere eine Epoxidharzkompo- nente. Durch Aushärten bildet das Harzgemisch die Harzbasis des gefüllten Isolationssystems. Beispielsweise sind dafür Novolake, Bisphenol-A und/oder Bisphenol-F-Diglycidylether geeignet, die beispielsweise auch kettenverlängert vorliegen können.

Vorteilhaft ist ein Harzgemisch, das bei Raumtemperatur fest vorliegt und eine monomere und/oder oligomere, insbesondere epoxidierte Novolak-Abmischung mit Bisphenol A und/oder Bi- sphenol F- Diglycidylether umfasst, insbesondere mit ketten- verlängertem Bisphenol-A und/oder -F, eine di- oder höher- epoxidische Kohlenstoff-basierte Harz-Komponente und/oder ei- ne monomere und/oder oligomere Harz-Abmischung auf Alkyl- und/oder Aryl-Polysiloxanbasis mit mindestens einer weiteren Harzkomponente umfasst, alle Epoxidharzkomponenten bevorzugt zwei oder mehr Gycidylester- und/oder Glycidylether- und/oder Hydroxylfunktionalitäten umfassend und/oder dass das Harzge- misch wenigstens eine als Härter fungierende Verbindungen auf Dicyandiamid- und/oder (Poly)-Aminbasis und/oder amino- und/oder alkoxyfunktionaler Alkyl-/Aryl-Polysiloxanbasis, um- fasst.

Als „Härter" sind entsprechend im Zusammenhang mit der Pul- verlackformulierung nach der Erfindung Verbindungen auf Dicyandiamid- und/oder (Poly)-Aminbasis und/oder amino- und/oder alkoxyfunktionaler Alkyl-/Aryl-Polysiloxanbasis ge- eignet.

Als „Additiv" werden im Zusammenhang mit der Pulverlackformu- lierung nach der Erfindung Verbindungen, die zur Entgasung, zur VerlaufsVerbesserung und/oder zur Verhinderung von Kra- terbildung bei Pulverlacken genommen.

Diese können beispielsweise solche auf Basis von Benzoin, Po- lyester, Acrylat und/oder modifiziertes Wachs, sein. Bei- spielsweise können diese Verbindungen im Additiv auch an Si- liziumdioxid adsorbiert vorliegen.

Als „Beschleuniger" respektive „Katalysator" werden vorteil- hafterweise Urone, wie z.B. Fenuron und/oder Monuron, einge- setzt. Diese Beschleuniger dissoziieren unter Temperaturein- trag zu Isocyanat und Dimethylamin.

Als „kettenverlängert" werden dabei Monomere oder Oligomere beispielsweise des Bisphenol-A-Diglycidylether bzw. BADGE bzw. DGEBA bezeichnet. Für die sich repetierenden Einheiten, die in einer Strukturformel wie unten gezeigt, z.B. in Klam- mer gesetzt sind, gilt dann n größer Null. Für eine Pulverlackformulierung sind nur bei Raumtemperatur und unter Normalbedingungen, also Atmosphärendruck etc. fest vorliegende Verbindungen und Mischungen geeignet. Flüssigkei- ten werden grundsätzlich wirtschaftlich sinnvoll nicht zur Herstellung von Pulverlacken eingesetzt.

Als „Pulverlackformuierung" wird hier die ungehärtete aber fest vorliegende und versprühbare Mischung bezeichnet, wäh- rend die auf das Substrat aufgebrachte Mischung als „Pulver- lack" bezeichnet wird.

Die Kettenverlängerung der hier einsetzbaren bei Raumtempera- tur fest, also „solid" vorliegenden Harzbasis, insbesondere Epoxidharze auf DGEBA-Basis umfassend, ist nicht gleichzuset- zen mit der Aushärtung und/oder Vernetzung des Harzes zum Duromer. Die bereits kettenverlängerten Epoxidharze werden als Feststoff in die Pulverlackformulierung eingearbeitet.

Die kettenverlängerten festen Epoxidharze sind beispielsweise durch wiederkehrende Gruppen „repeat units" mit sekundären Hydroxylgruppen gekennzeichnet. Theoretisch liegen dabei li- neare Grundgerüste, also Rückgrate von Polymeren mit zwei endständigen Oxiranring-Gruppen vor, mit dazwischen sich wie- derholenden Einheiten beispielsweise von n=2 bis n=35, die sekundäre Hydroxylgruppen tragen, wie in Formel I ge- zeigt:

Weitere Vorteile ergeben sich, wenn das Harzgemisch eine wei- tere monomere und/oder oligomere, insbesondere di- oder hö- her-epoxidisehe Kohlenstoff- und/oder Siloxan- basierte Harz- Komponente umfasst. Nach Aushärtung liegt dann eine Harzbasis vor, in der das Rückgrat der polymer vernetzten Verbindung neben Kohlenwasserstoffen auch - [SiR₂-O]_n-Einheiten auf- weist.

Insbesondere bevorzugt ist dabei, dass das Harzgemisch eine monomere und/oder oligomere Harz-Komponente auf Alkyl- und/oder Aryl-Polysiloxanbasis in Abmischung mit mindestens einer, bevorzugt zwei oder mehr Gycidylester- und/oder Gly- cidyletherfunktionalitäten umfasst und/oder dass das Harzge- misch wenigstens eine als Härter fungierende Verbindung auf Anhydrid- und/oder (Poly)Aminbasis und/oder amino- und/oder alkoxyfunktionaler Alkyl-/Aryl-Polysiloxanbasis, umfasst.

Gemäß der Erfindung ist als Harz-Gemisch und/oder Harz- Härter-Gemisch für das Isolationsmaterial ein Harz und/oder ein Harzgemisch vorgesehen, bei dem zumindest ein Teil des zu einem Duromer härtenden Harz-Gemisches und/oder Harz-Härter- Gemisches für das Isolationssystem eine Siloxan-haltige Ver- bindung ist, die im fertig ausgehärteten Duromer ein - [SiR₂-O]_n-Rückgrat „Backbone" bildet.

Dabei steht „R" für alle Arten organischer Reste, die sich zur Härtung und/oder Vernetzung zu einem für ein Isolations- system brauchbaren Isolationsstoff eignen. Insbesondere steht R für -Aryl, -Alkyl, -Heterocyclen, Stickstoff, Sauerstoff und/oder Schwefel substituierte Aryle und/oder Alkyle.

Insbesondere kann R gleich oder ungleich sein und für folgen- de Gruppen stehen:

- Alkyl, beispielsweise -Methyl, -Propyl, -isoPropyl, - Butyl, -isoButyl, -tertButyl, -Pentyl, -isoPentyl, - Cyclopentyl sowie alle weiteren Analoge bis zu Dodecyl, also das Homologe mit 12 C-Atomen;

- Aryl, beispielsweise: Benzyl-, Benzoyl-, Biphenyl-, To- luyl-, Xylole sowie vergleichbare Aromaten, insbesondere beispielsweise alle Arylreste, mit einem oder mehreren 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 ∏-Elektronen, die sich in Form von 4n + 2 darstellen lässt, umfasst, eine besondere Stabili- tät besitzen, die auch als Aromatizität bezeichnet wird.

Grundsätzlich umfasst das Harz-Gemisch und/oder Harz-Härter- Gemisch neben der zur Polymerisation funktionalisierten mono- mer und/oder oligomer vorliegenden Komponente, die ein - [SiR₂-O]_n ^_Rückgrat hat, auch zumindest eine zur Polymerisati- on funktionalisierte monomere oder oligomere Harzkomponente mit einem Kohlenstoff also -[-CR_iR₂-]_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 Bi- sphenol-F-Diglycidylether (BFDGE) oder Bisphenol-A- Diglycidylether (BADGE), Polyurethan sowie Mischungen hie- raus. Bevorzugt sind Epoxidharze basierend auf Bisphenol-F- Diglncidylether (BFDGE), Bisphenol-A-Diglycidylether (BADGE) oder Mischungen hieraus.

Beispielsweise wird die zur Polymerisation funktionalisierte monomere oder oligomere Komponente, die ein [SiR₂-O]_n- Rückgrat hat mit einer oder mehreren, -[-CR₁R₂-]_n- Rückgrat enthaltender Komponenten, ausgewählt aus der Gruppe folgender Verbindungen zum Harz-Gemisch und/oder Harz-Harter-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 abgemischter 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, Ν,Ν,Ν',Ν'- Tetraglycidyl-4,4 '-methylendianilin z.B. MY720, MY721, MY725, sowie beliebiger Mischungen der vorgenannten Verbindungen.

Als zur Polymerisation funktionalisierte monomere oder oligo- mere Komponente, die ein - [SiR₂-O]_n-Rückgrat hat eignen sich glycidyl-basierte und/oder epoxy-terminierte Aryl- und/oder Alkyl-Siloxane, wie beispielsweise glycidoxy funktionalisier- te, insbesondere glycidoxyterminierte Siloxane. So eignet sich beispielsweise ein Siloxan wie das 1,3-Bis(3-glycidyl- oxypropyl)tetramethyldisiloxan, das DGTMS, und/oder das gly- cidoxyterminierte 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. Anstelle der 4 Methylsubstituenten am Silizium im DGTMS kön- nen verschiedene, gleiche oder ungleiche beliebige Alkyl- und/oder Aryl-Substituenten stehen. Eine dieser bereits ge- testeten Komponenten ist als „Silres® HP® 1250® handelsüb- lich. Es hat sich gezeigt, dass zumindest zweifach funktiona- lisierte Siloxane, die zur Herstellung von Duroplasten ein- setzbar sind, hier geeignet sind.

Handelsüblich ist beispielsweise folgende, als Siloxanbasier- te Komponente geeignete Verbindung handelsüblich bei der Fa. Wacker AG erhältlich:

Als Härter eignen sich bei der Homopolymerisierung kationi- sche und anionische Härtungskatalysatoren, wie beispielsweise organische Salze, wie organische Ammonium-, Sulphonium-, lo- donium-, 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 oxirangruppenhal- tige Verbindungen, wie beispielsweise Glycidylether als Här- ter eingesetzt werden. Ebenso gut wie das Basisharz kann auch der Härter alternativ oder ergänzend durch eine Verbindung mit [-SiR₂-O-]_n-Rückgrat, hier auch Siloxanbasierte Verbin- düng genannt, teilweise oder ganz ersetzt werden.

Im Fall von nicht-homopolymerisierender, beispielsweise addi- tionsvernetzenden, Hochpolymeren können bei Raumtemperatur feste Di- oder Trianhydrid(derivate) als Härter zweckmäßig sein, wie z.B. 3,3',4,4'-Benzophenontetracarboxyldianhydrid (BTDA, CAS-Nr. 2421-28-5) eingesetzt werden. Beispielsweise wird ein Phthalsäureanhydridderivat und/oder ein Polyamin, und/oder ein Produkt der Wacker AG, das Alkyl- und/oder Aryl- und/oder Alkoxy-substituierte Wacker HP 2000 oder HP 2020 sein.

Herkömmlich werden auch Säureanhydride als Härter in den Iso- lationsmaterialien erfolgreich eingesetzt. Deren Toxikologie ist jedoch mittlerweile nicht mehr ganz unumstritten. Deshalb werden andere Härter, insbesondere auf Imidazol- und/oder Py- razolbasis verstärkt eingesetzt.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, den Kohlenstoffbasierten Härter auch ganz oder teilweise durch Siloxanbasierte Härter mit den gleichen Funk- tionalitäten zu ersetzen.

Es hat sich herausgestellt, dass im Isolationsstoff, der das gehärtete Basisharz umfasst, ein Verhältnis von Siloxanba- sierter, „mit -[SiR₂-O-]_n-Rückgrat"- Verbindung zu kohlen- stoffbasierter „mit -[-CR₁R₂-]_n- Rückgrat" -Verbindung, wie 1:8 bis 1:4 am günstigsten ist, das heißt dass in dem betref- fenden Isolationsmaterial die Kohlenwasserstoff-basierten Verbindungen mengenmäßig 4 bis 8 mal mehr vorliegen als die - [SiR₂-O-]_n- Rückgrat-enthaltenden Verbindungen. Die Anteile beziehen sich dabei auf die Stöchiometrie, sind also Molpro- zente.

Die Siloxan-haltige Komponente liegt also in einer Menge von 10 bis 50 Mol% in der Harzbasis, also im Harz-Gemisch und/oder Harz-Härter-Gemisch der Pulverlackformulierung vor. Insbesondere bevorzugt ist, wenn die Menge an Siloxan- haltiger Komponente im Basisharz nicht mehr als 20 Mol%, ins- besondere nicht mehr als 18 Mol% und besonders bevorzugt nicht mehr als 15 Mol% beträgt.

Man konnte ein reduziertes Erosionsvolumens bei einer Substi- tution der herkömmlichen Harzkomponente von 20-30% erkennen. Da jedoch mit fortschreitender Substitution die mechanischen Eigenschaften, deutlich an den Glasübergangstemperaturen 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 Sub- stitution sind die Glasübergangstemperaturen und die Spei- chermoduln des resultierenden Harzsystems fast identisch mit denen des herkömmlichen, nur [-CH₂-]_n ^_Rückgrat umfassenden Harzes.

Die Teilentladungsresistenz des Isolationsstoffes wird durch Vorhandensein einer gewissen Menge an [S1R₂-O-]_n- bildenden

Monomeren oder Oligomeren im Basisharz geradezu sprunghaft erhöht.

Prinzipiell kann ein Pulverlack nach der Erfindung sowohl auf ein erwärmtes - heißes - als auch auf ein kaltes Substrat aufgebracht werden.

Der Pulverlack kann weiterhin über ein elektrostatisches Ver- fahren bei dem wiederum das Substrat heiß oder kalt vorlie- gen kann - aufgebracht werden.

Der Pulverlack kann über ein Eintauchen des Substrats in ein mit Pulverlackformulierung gefülltes Wirbelbett aufgebracht werden.

Die Wahl des jeweiligen Aufbringungsverfahrens und die Schichtdicke der aufgebrachten Pulverlacklage variieren von Anwendungsfall zu Anwendungsfall. Generell gilt, dass beim elektrostatischen Versprühen auf kaltes Substrat die dünnsten Lagen applizierbar sind.

Die hier in Rede stehenden Substrate sind vor allem bereits gegeneinander isolierte Teilleiter. Teilleiter sind je nach Anwendung gegeneinander isoliert, z.B. durch eine Glasgewebe, eine Wickelbandisolation, Glimmerisolation, einer PET- Polyethylenterephthalat-Folie, PI-Polyimidfolie und/oder sonstige Teileilleiterisolonsvarianten. Die jeweilige Teilleiterisolation liegt bevorzugt vorverfes- tigt in Form eines Prepregs vor. Beispielsweise werden zwei, ein paar oder mehr oder viele gegeneinander Teilleiter- isolierte Teilleiter miteinander - beispielsweise in einer Heißpresse- verbacken. Ein so vorliegendes Paket ist bei- spielsweise ein Substrat zur Aufbringung der Pulverlackformu- lierung nach der Erfindung. Als Pulverlack"formulierung" wird vorliegend die noch nicht auf das Substrat aufgebrachte und unvernetzte Form des Pulverlacks bezeichnet.

Vorzugsweise hat das Substrat einen eher rechteckigen als ab- gerundeten, ovalen oder runden Querschnitt.

Auf das Substrat wird die Pulverlackformulierung z-B. durch

Besprühen mit oder ohne Druckluft und/ oder durch Eintau- chen in ein Wirbelbett mit Pulverlackformulierung appliziert. Beispielsweise ein, bevorzugt rechteckiger Querschnitt, bei dem im Substrat die Teilleiter in Form von Flachdrähten vor- liegen. Diese Teilleiter sind über ihre Teilleiter-Isolation „verbacken" .

Bei der Applikation auf ein heißes Substrat wird dieses bei- spielsweise auf 130°C, auf 150°C oder auf 200°C vorgewärmt, je nach Anwendung und auch in Abhängigkeit von der Wärmeklas- se-Beständigkeit der Substrat-Oberfläche, der Pulverlackfor- mulierung, der Teilleiterisolation und last but not least des Prepregs aus einem verbackenen Bündel von gegeneinander isolierten Teilleitern.

Eine elektrostatische Adhäsion des Pulverlacks auf dem Sub- strat, dessen Oberfläche ja die Teilleiterisolation bildet und die daher isolierend ist, findet dabei immer noch über das elektrische Feld der Teilleiter statt, da das elektrische Feld durch die Teilleiterisolation durchgeht.

Beim Eintauchen des kalten oder erwärmten und/oder elektrisch kontaktierten Substrates in ein Wirbelbett lagert sich je- weils eine Lage Pulverlackformulierung auf der Oberfläche des Substrates an. Diese wird entweder elektrisch oder durch Tem- peratur oder durch beides angeschmolzen und/oder angeliert. Der angeschmolzene und/oder angelierte Pulverlack klebt dann auf dem Substrat. Das Eintauchen kann automatisiert oder zu- mindest teilautomatisiert erfolgen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorge- sehen, dass die Pulverlackformulierung als vorzugsweise ver- sprühbare Pulverlackformulierung hergerichtet ist. Hierdurch ist auch wieder eine automatisierte oder zumindest teilauto- matisierte Auftragung möglich, wodurch entsprechende Zeit- und Kosteneinsparungen realisiert werden können.

Eine durch Besprühen hergestellte Lage des fertigen Isolati- onssystems hat vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 50μm bis 150μm, bevorzugt 50μm bis 130 μm und insbesondere bevor- zugt von 70μm bis 120μm. Bei elektrischen rotierenden Maschi- nen, werden häufig Isolationsdicken im Bereich von 700 μm bis hin zu etwa 6 mm, insbesondere von 1,5mm bis 2,5mm, Isolati- onsdicke benötigt, so dass die gesprühten Isolationssysteme in mehreren Lagen beispielsweise bis zu 30 Lagen, insbeson- dere bis zu 20 Lagen, aufgebracht werden. Beispielsweise wer- den bei kleinen Maschinen 1 bis 3 Lagen bis hin zu 20 Lagen bei großen elektrischen Maschinen aufgebracht.

Für die Aufbringung der zweiten und weiteren Lage an Pulver- lackformulierung dient natürlich die erste Lage an Pulverlack als Substrat, wobei bevorzugt ist, dass die untere Lage an Pulverlack zumindest schon entgast und/oder angeliert ist, so dass eine homogene Oberfläche als Substrat für die oberen La- gen zur Verfügung steht.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die gesamte Pulverlack- formulierung und daraus hergestellte Isolation einen Längen- ausdehnungskoeffizienten von höchsten 35 * 10^-6 * K_-1 besitzt. Die Wicklung elektrischer Maschinen wird üblicher Weise aus Kupfer hergestellt. Das Harz-Bindemittel des Isolierungssys- tems besitzt in der Regel eine mindestens viermal höhere Wär- meausdehnung als Kupfer. Durch Zugabe eines Füllstoffes mit einer geringen Wärmeausdehnung kann die Wärmeausdehnung der Isolation deutlich reduziert werden und in Richtung des Kup- fers hin verschoben werden. Ähnliche Wärmeausdehnungskoeffi- zienten von Wicklung und Isolation sorgen für eine stabile Anbindung des Isolierungssystems an die Kupferwicklung unter thermischen Lastwechseln durch Reduktion von thermisch indu- zierten Spannungen. Gleiches gilt für andere Metalle und Me- talllegierungen .

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere eine rotierende elektrische Maschine, umfassend zumindest ein Bündel von Teilleitern und ein Isola- tionssystem, welches Isolationskomponenten zur Isolierung um- fasst, wobei das Isolationssystem zumindest zum Teil durch ein- oder mehrmaliges Applizieren einer Pulverlackformulie- rung gemäß dem ersten Erfindungsaspekt und nachfolgende Aus- härtung erhältlich und/oder erhalten ist.

Hierdurch besitzt die elektrische Maschine, bei der es sich beispielsweise um einen Generator handeln kann, ein entspre- chend gegenüber dem Stand der Technik mit plättchenförmigen - Glimmer-Füllstoffen - verbessertes Isolationssystem, da runde und/oder annähernd runde Füllstoffpartikel im Vergleich zu plättchenförmigen Füllstoffen wie Glimmer eine deutlich ge- ringere spezifische Oberfläche besitzen. Dadurch ist es mög- lich, bei gleicher Viskosität mehr Füllstoff in die Pulver- lackformulierung zu geben oder umgekehrt bei gleichem Füll- stoffgehalt eine geringere Viskosität zu erzielen. Mehr Füll- stoff in der Pulverlackformulierung respektive dem daraus hergestellten Isolationssystem, und/oder eine geringere Vis- kosität der Pulverlackformulierung führt zu verbesserten Auf- trags- und Entgasungseigenschaften bei der Applikation, Adhä- sion auf dem Substrat und der Aushärtung der Pulverlackformu- lierung und damit zu besseren Isolierungseigenschaften und einer höheren Oberflächengüte des resultierenden Isolations- systems. Damit kann ein nahezu porenfreies Isolationssystems mit einer möglichst hohen Füllstoffkonzentration hergestellt werden. Weitere Merkmale und deren Vorteile sind den Be- schreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen.

Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Isolationssystems einer elektrischen Ma- schine, insbesondere einer rotierenden elektrischen Maschine. Es wird ein verbessertes Isolationssystem einer elektrischen Maschine hergestellt, da runde Füllstoffpartikel im Vergleich zu plättchenförmigen Füllstoffen wie Glimmer eine deutlich geringere spezifische Oberfläche besitzen. Dadurch ist es möglich, bei gleicher Viskosität mehr Füllstoff in die Pul- verlackformulierung zu geben oder umgekehrt bei gleichem Füllstoffgehalt eine geringere Viskosität zu erzielen. Mehr Füllstoff in der Pulverlackformulierung und/oder eine gerin- gere Viskosität der Pulverlackformulierung führt zu verbes- serten Auftrags- und Entgasungseigenschaften der Pulverlack- formulierung und damit zu besseren Isolierungseigenschaften und einer höheren Oberflächengüte des resultierenden Isolati- onssystems. Damit kann ein porenfreies Isolationssystems mit einer möglichst hohen Füllstoffkonzentration hergestellt wer- den. Weitere Merkmale und deren Vorteile sind den Beschrei- bungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren zumindest die Schritte a) Herstellen einer Pulverlackformulierung gemäß dem ersten Erfindungsaspekt, b) Vorbereiten eines Substrats durch Erwärmen und/oder elekt- risches Kontaktieren, c)Applikation der Pulverlackformulierung auf das vorbereitete Substrat, insbesondere Versprühen und/oder Eintauchen des Substrates in ein Wirbelbett der Pulverlackformulierung, d) Aufschmelzen, Trocknen und/oder Angelieren des Pulverlacks auf dem Substrat, sowie e) Aushärten des Pulverlacks zur Ausbildung des Isolations- systems. Insbesondere ist eine der polymerisierbaren Harzkomponente des Harzgemisches ausgewählt aus Duroplasten.

Die Pulverlackformulierung wird beispielsweise mittels einer Düse auf einen Leiter aufgesprüht, um das Isolationssystem zu erhalten. Generell ergibt sich durch die sphärischen Füll- stoffe der Vorteil einer geringen Abrasivität.

Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, dass die Schritte c) und d) ein- oder mehrmals wiederholt werden. Hierdurch können entsprechend dickere Isolierungsschichten hergestellt werden.

Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, dass das Verfahren zu- mindest zum Teil automatisiert durchgeführt wird. Insbesonde- re eine gesprühte Pulverlackformulierung, insbesondere zur Herstellung einer Hauptisolation, ermöglicht eine teil- oder vollautomatisierte Herstellung auch von individuell an die jeweilige Maschine angepassten Isolationssystemen.

Des Weiteren ermöglicht die Pulverlackformulierung und Sprüh- respektive Wirbelbett-Technologie eine Erhöhung der Leis- tungsdichte von elektrisch rotierenden Maschinen, unter der Annahme, dass das über Pulverlack hergestellte Isolationssys- tem die gleiche elektrische Lebensdauer aufweist, wie ein konventionelles Isolationssystem. Letzteres umfasst damit verglichen ziemlich viele Komponenten und erfordert viele Ar- beitsschritte mit Wickelband aus Glimmschutzband, Bandkleber, Bandbeschleuniger, unter Umständen per Hand applizierter Um- wickelung, danach Harzimprägnierung, gegebenenfalls bei er- höhter Temperatur mit Überdruck oder im Vakuum und schluss- endlicher Harz-Durchhärtung.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprü- chen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinati- onen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung ge- nannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils ange- gebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmals- kombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmals- kombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen An- spruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargeleg- ten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der An-sprüche dargelegten Merkmalskombinati- onen hinausgehen oder von diesen abweichen. Dabei zeigt:

Die Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines Generators im Austrittsbereich einer Wicklung aus einem Blechpaket nach einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung

Die Figur 2 eine DSC Messung des bei Raumtemperatur festen Harzgemisches.

In der Figur 1 ist eine schematische Schnittansicht einer exemplarisch als Generator ausgebildeten elektrisch rotieren- den Maschine 10 im Austrittsbereich eines Leiters bzw. einer Wicklung aus gegeneinander isolierten Teilleitern 8 aus einem Blechpaket 9 gezeigt. Elektrisch rotierende Maschinen besit- zen einen sehr hohen Wirkungsgrad von bis zu 99,5%. Der Gene- rator 10 weist als Isolationskomponenten eine Hauptisolation 1, die aus Applikation einer Pulverlackformulierung durch Härtung herstellbar ist und eine Teilleiterisolation 2, die durch Wicklung herstellbar ist, auf. Während die Teilleite- risolation 2 als Wickelbandisolation ausgebildet ist, ist die Hauptisolation 1 hier eine reine Beschichtung, die über ein- oder mehrmalige Applikation und Aushärtung der Pulverlackfor- mulierung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung herstellbar ist. In der Figur 1 ist weiterhin ein Außenglimmschutz 4 zu erken- nen. Weiterhin umfasst der Generator 10 ein fixierendes Band 5, einen Fixierungsstreifen 7, die Wicklung der gegeneinander isolierten Teilleiter 8, und das Blechpaket 9.

Für Zuverlässigkeit, Sicherheit und den Wirkungsgrad des Ge- nerators 10 ist dabei ein Isolationssystem 12 von entschei- dender Bedeutung. Die Hauptisolation 1 des Generators basiert beispielsweise auf Pulverlack aus einem Harzgemisch, das ket- tenverlängertes Bisphenol-A umfasst, die mit sphärischem und auf Quarzgut basierendem Füllstoff in einer Menge von 55 Gew%, bezogen auf die Gesamtmasse der Pulverlackformulierung, gefüllt ist und sorgt für die Isolation der Leiter in Form von Kupferleiter 8 gegen den geerdeten Stator, das Blechpaket

9.

Die Hauptisolation besitzt eine hohe Teilentladungseinsetz- spannung, was ihr ermöglicht, 3,5 kV pro Millimeter dauerhaft abzubauen. Luft besitzt eine relativ geringe dielektrische Festigkeit, wodurch schon bei relativ geringen Feldstärken Teilentladungen auftreten können. Deshalb werden durch das hier erstmals offenbarte Verfahren zur Applikation der Pul- verlackformulierung Lufteinschlüsse insbesondere in der Haup- tisolation 1 so gut wie möglich vermieden.

Die Bestandteile des vorliegenden Isolationssystems 12 umfas- sen, von innen nach außen betrachtet, die Kupfer (teil)leiter 8, also die elektrische Spule, die zu sogenannten verröbelten Stäben - im Stadium des Prepregs - miteinander verpresst wer- den, optional eine auf den Stäben aufgebrachte Innenpotenti- alsteuerung (IPS, nicht gezeigt), die Hauptisolation 1 und darauf den Außenglimmschutz 4 (AGS). Die Generator- bzw. Mo- torwicklung verlässt an jeweils den Stirnseiten des Blechpa- ketes 9 die Generatornuten 14. An diesen Stellen wird an den 4 AGS anschließend der sogenannte Endenglimmschutz (EGS) - hier nicht gezeigt - aufgebracht, um das elektrische Potenti- al zu steuern, das heißt das Potential über die EGS-Länge an- zuheben. Alle diese Bestandteile des Isolationssystems 12 (IPS, Hauptisolation 1, AGS 4 und EGS) werden nach dem Stand der Technik überwiegend als Bänder auf die Teilleiter 8 auf- gewickelt, wobei z.B. händisch oder höchstens halbautomatisch appliziert wird.

Nach der Erfindung wird ein Bündel 8 aus isolierten Teillei- tern beispielsweise mittels eine Heißpresse - zu einem Pre- preg verbacken. Das Bündel 8 ist z.B. ein „Substrat" im Sinne der Erfindung, auf dem die Pulverlackformulierung appliziert wird, also die Pulverlackformulierung entweder über Eintau- chen in ein Pulverlack-Wirbelbett und/oder Besprühen, „Bepul- vern" mit Pulverlackformulierung beschichtet, das heißt über- zogen wird. Dadurch, dass das Substrat entweder heiß ist und/oder elektrostatisch aufgeladen, klebt die Pulverlackfor- mulierung in zumindest einer Lage darauf, entweder über An- schmelzen, weil das Substrat 150°C oder 200°C heiß ist und/oder über elektrostatische Adhäsion.

Diese erste Lage wird dann angeliert und so weit angehärtet, dass sie als Substrat für die zweite Lage, wieder aus z.B. aufgesprühter Pulverlackformulierung, dienen kann.

Figur 2 zeigt eine DSC-Messung, also eine „differential Scan- ning calorimetry"- Messung, bei der die Probe eine Erwärmung in einer bestimmten Messrate erfährt und gemessen wird, wie die Erwärmung der Probe tatsächlich zu einer Erhöhung der Temperatur führt oder ob beispielsweise die Erwärmung in der Probe durch die Schmelzenergie des Feststoffes aufgebraucht wird und daher kein Temperaturanstieg der Probe trotz fortge- führter Erwärmung erfolgt.

Im vorliegenden Fall wurde die Messung mit einem gelochten Aluminium -Tiegel 0 mg als Referenz durchgeführt, die Probe an Pulverlackformulierung selbst wog 6,98mg. Die Durchfüh- rung der Messung erfolgte von 0 bis 250°C_10K_min_2mal/30-11- 2020 15:21 Uhr Segmente :3/6; Tiegel: Pan AL, pierced lid; Atmosphäre: N2, 20.0ml/min ./. N2, 70ml/min; Korrekturmes- sung/Bereich: 020/5000μV. Das Diagramm, respektive die Figur 2, wurde mit NETZSCH Proteus Software erzeugt.

In der Figur 2 ist eine DSC-Messung eines beispielhaften bei Raumtemperatur fest vorliegenden Harzgemisches, wie sie vor- liegend in der Pulverlackformulierung einsetzbar ist, darge- stellt. Ein derartiger Pulverlack umfasst vorzugsweise ein Harzgemisch, Härter, Beschleuniger, Additiv und/oder Füll- stoffe.

In der hier gezeigten Messung wurde folgende Mischung gemes- sen:

Fertiger Pulverlack, umfassend: f)Harzgemisch: hier: epoxidierter Novolak, kettenverlän- gerter DGEBA und Polysiloxan, g)Härter: Dicyandiamid h)Beschleuniger: Uron i) Füllstoff: sphärisches Quarzgut j)Additive: Entgasungsadditiv: Benzoin Verlaufssdditiv: Acrylat

Deshalb ist es nicht möglich, daraus einen hochkristallinen Werkstoff herzustellen, da die Kettenlängen und die unter- schiedlichen Polaritäten der verschiedenen Moleküle keine kristallinen Bereiche ausbilden können. Außerdem bilden sich bevorzugt amorphe Strukturen aus, wenn die Abkühlrate beim Herstellungsprozess hoch gewählt wird.

In der konventionellen Pulverlackherstellung ist beispiels- weise eine sehr kurze Verweildauer des reaktiven Pulverlack- gemisches im DoppelSchneckenextruder gewünscht, gefolgt von einer raschen Abkühlung der Pulverlackschmelze, um eine vor- zeitige Polymerisation im Herstellprozess zu unterdrücken.

Insbesondere umfasst ein derartiger, bei Raumtemperatur fest vorliegender Pulverlack ein Harzgemisch mit einer monomeren und/oder oligomeren, insbesondere epoxidierten Novolak- Abmischung mit Bisphenol A und/oder Bisphenol F- Digly- cidylether, insbesondere mit kettenverlängertem Bisphenol-A und/oder -F, eine di- oder höher- epoxidische Kohlenstoff- basierte Harz-Komponente und/oder eine monomere und/oder Oli- gomere Harz-Abmischung auf Alkyl- und/oder Aryl- Polysiloxanbasis beispielsweise wieder mit mindestens einer weiteren Harzkomponente, bevorzugt zwei oder mehr Gycidyles- ter- und/oder Glycidylether- und/oder Hydroxylfunktionalitä- ten umfassend.

Die Messung wurde an dem ungefüllten Pulverlack durchgeführt. Sie wurde mit einem standardisierten Gerät von Netzsch, dem Netzsch DSC 204F1 Phoenix 240-12-0411-L durchgeführt, die Pa- rameter sind, wie bereits beschrieben, Aufheizrate 10 K/min im Bereich von 0°C bis 250°C. Zu erkennen ist klar ein Er- weichungspunkt bei 49,4°C, bei niedrigeren Temperaturen ist das Epoxidharz fest. Vorliegend ist keine ausgeprägte Kris- tallinität in Form einer großen Schmelzenthalpie zu erkennen, weil die vorliegend eingesetzte Epoxidharzmischung, die hier beispielsweise aus DGEBA oder BADGE Bisphenol-A- Diglycidylether - in Abmischung mit epoxidiertem Novolak und Siloxan vorliegt, nicht in besonderer Reinheit und daher mit Kristallinität, sondern als Mischung vorliegt. Einen zweiten unscharfen Peak zeigt die Pulverlackformulierung bei 175,6°C.

Die Pulverlackformulierung nach der Erfindung stellt eine Möglichkeit dar die herkömmliche Wickelbandisolierung und/oder das VPI-Vakuum-Druck-Imprägnierverfahren zu ergänzen oder auch darauf komplett zu verzichten. Dazu wird der iso- lierende und mit sphärischem Quarz gefüllte Pulverlack im Schichtaufbau in mehreren Lagen, beispielsweise in 2 bis 20 Lagen, auf das Substrat appliziert und gehärtet.

Die einzelnen Lagen der Pulverlackformulierung können bei- spielsweise additiv und damit (teil)automatisiert aufgebracht werden. Demnach wird in einer gegebenenfalls mehrlagigen Lackierung mit einer pulvrigen Pulverlackformulierung ein Siloxan- modifiziertes und mit sphärischen Partikeln gefülltes Epoxid pulverförmig auf die Teilleiterwicklung 8 aufgebracht. Das Siloxan sorgt dabei für eine erhebliche Verlängerung der elektrischen Lebensdauer des gesprühten Isolationssystems 12. Durch die Füllung mit vorwiegend sphärischen Partikeln ge- lingt leicht eine Entgasung des applizierten und gegebenen- falls schon angelierten Pulverlacks.

Es hat sich gezeigt, dass eine porenfreie Isolationsschicht wichtig für die elektrische Lebensdauer der Maschine 10 ist. Füllstoffe mit einer hohen spezifischen Oberfläche wie Glim- mer, führen zu einer starken Viskositätserhöhung der Pulver- lackformulierung . Eine hohe Viskosität führt zu einer schlechten Entgasung, wodurch Poren im gehärteten Isolations- system 12 entstehen können. Auch die Oberflächengüte von schlecht verlaufenden Pulverlackformulierungen, die mit plättchenförmigem Füllstoff allein gefüllt sind, ist mangel- haft.

Erfindungsgemäß wird daher als Füllstoff der Pulverlackformu- lierung für elektrische Isolationssysteme 12 eine sphärische Verbindung wie beispielsweise sphärisches Quarzgut und/oder sphärisches Quarzglas („fused silica") eingesetzt. Sphäri- sches Quarzgut besteht aus runden, amorphen SiO₂ Kügelchen. Das amorphe Siliziumdioxid besitzt eine Wärmeausdehnung von

0,5 * 10^-6 *K^_1, was etwa einhundertzwanzigmal geringer ist als diejenige einer geeigneten Harzbasis (zum Beispiel Epo- xidharz). Je nach FüllstoffkonzentratIon in dem härtbaren Harzgemisch kann somit der lineare Wärmeausdehnungskoeffi- zient des gesamten resultierenden Isolationssystems 12 redu- ziert werden. Mit einer Permittivität von 3,7 besitzt sphäri- sches Quarzgut fast die gleiche Permittivität wie übliche Epoxidharze (ca. 3,5) und sorgt deshalb für so gut wie keine Feldüberhöhung im Isolationssystem 12. Siliziumdioxid ist re- sistent gegenüber elektrischen Entladungen und kann unter sehr starken Entladungen sogar erweichen und eine Art Schutz- Schicht gegenüber elektrischen Entladungen ausbilden (wenn die Füllstoffpartikel klein genug sind).

Sphärisches und/oder annähernd sphärisches Quarzgut ist zwar teurer als nicht-sphärisches, besitzt aber eine deutlich ge- ringere spezifische Oberfläche. Dadurch ist es möglich, bei gleicher Viskosität mehr Füllstoff in die Pulverlackformulie- rung (Pulverlack) zu geben. Mehr Füllstoff im Pulverlack ist gleichzusetzen mit mehr positive Effekten des Füllstoffes auf den Pulverlack. Eine Oberflächenmodifizierung beziehungsweise -beSchichtung des sphärischen Quarzgutes kann die Anbindung des Füllstoffes an die Harzformulierung verbessern und gleichzeitig seine Verarbeitungseigenschaften optimieren. Üb- licherweise kann eine solche Oberflächenbeschichtung der Füllstoffpartikel mit Silanen realisiert werden, wodurch die Füllstoffoberfläche bedarfsweise epoxidfunktionalisiert, aminfunktionalisiert, vinylfunktionalisiert und so weiter werden kann. Damit kann die Oberfläche besonders gut kovalent an die jeweilige Harzmatrix angebunden werden.

Typische Füllstoffkonzentrationen liegen zwischen etwa 5 Gew.-% und 65 Gew. , bevorzugt sind 40 55 Gew.%. Vor- teilhafte Partikelgrößen D₅₀ liegen zwischen 1 μm und 30 μm, bevorzugt 3 μm und 7 μm. Ein kommerziell verfügbarer Füll- stoff, der diese Eigenschaften besitzt, ist BRUCAFIL® 1431 der Firma HPF. Der Füllstoff kann als eine Fraktion oder in mehreren Fraktionen vorliegen.

Generell ist der verwendete Füllstoff bevorzugt elektrisch nichtleitend, also isolierend. Zusätzlich zu sphärischen, quasi-sphärischen und/oder annähernd sphärischen also grund- sätzlich eher runden Füllstoffpartikeln können grundsätzlich andersförmige Füllstoffpartikel vorgesehen sein, insbesondere auch unregelmäßig geformte Partikel. Generell können die Füllstoffpartikel kristallin und/oder amorph vorliegen.

Die härtbare Harzbasis der Pulverlackformulierung kann als ein Copolymer aus einem Siloxan mit einem kettenverlängerten Bisphenol-A realisiert sein. Hierdurch kann mit Hilfe der er- findungsgemäßen Pulverlackformulierung ein porenfreies Isola- tionssystem 12 mit einer möglichst hohen Füllstoffkonzentra- tion realisiert werden.

Die in den Unterlagen angegebenen Parameterwerte zur Defini- tion von Prozess- und Messbedingungen für die Charakterisie- rung von spezifischen Eigenschaften des Erfindungsgegenstands sind auch im Rahmen von Abweichungen - beispielsweise auf- grund von Messfehlern, Systemfehlern, Einwaagefehlem , DIN- Toleranzen und dergleichen - als vom Rahmen der Erfindung mitumfasst anzusehen.

Claims

Patentansprüche

1. Pulverlackformulierung geeignet zur Herstellung eines Iso- lationssystems (12) einer elektrischen Maschine (10), insbe- sondere einer rotierenden elektrischen Maschine (10) mit ei- ner Bemessungsspannung von mindestens 700 V, umfassend we- nigstens ein härtbares Harzgemisch, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverlackformulierung zusätzlich sphärische SiO₂ Füllstoffpartikel mit einem maximalen Partikeldurchmesser von 100 μm umfasst.

2. Pulverlackformulierung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass diese zusätzlich nicht-sphärische SiO₂ Füll- stoffpartikel, insbesondere unregelmäßig geformte SiO₂ Füll- stoffpartikel umfasst.

3. Pulverlackformulierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Füllstoffpartikel kristallin und/oder amorph sind.

4. Pulverlackformulierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die SiO₂ Füllstoffpartikel Quarzgut, Quarzmehl und/oder Quarzglas umfassen.

5. Pulverlackformulierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffpartikel mit einem Massenanteil zwischen 5 Gew.-% und 65 Gew.-%, insbesondere zwischen 40 Gew.-% und 60 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmasse der Pulverlackformulierung vorliegen.

6. Pulverlackformulierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffpartikel eine Par- tikelgrößenverteilung D₅₀ zwischen 1 μm und 50 μm, insbeson- dere zwischen 2 μm und 16 μm, und/oder einen maximalen Parti- keldurchmesser von 70 μm, und/oder einen Wärmeausdehnungsko- effizienten von höchstens 20 * 10^_6*K^_1, insbesondere von höchstens 1 * 10^_6*K^_1, und/oder eine relative Permittivität zwischen 1 und 7 bei 18 °C und 50 Hz, insbesondere zwischen 2,5 bis und 4,5, aufweist.

7. Pulverlackformulierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffpartikel zumindest teilweise oberflächenmodifiziert, insbesondere silanisiert sind.

8. Pulverlackformulierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das bei Raumtemperatur fest vor- liegende Harzgemisch eine monomere und/oder oligomere, insbe- sondere epoxidierte Novolak-Abmischung mit Bisphenol A und/oder Bisphenol F- Diglycidylether umfasst, insbesondere mit kettenverlängertem Bisphenol-A und/oder -F, eine di- oder höher- epoxidische Kohlenstoff-basierte Harz-Komponente und/oder eine monomere und/oder oligomere Harz-Abmischung auf Alkyl- und/oder Aryl-Polysiloxanbasis mit mindestens einer weiteren Harzkomponente umfasst, bevorzugt zwei oder mehr Gycidylester- und/oder Glycidylether- und/oder Hydroxylfunk- tionalitäten umfassend und/oder dass die Pulverlackformulie- rung wenigstens eine als Härter fungierende Verbindungen auf Dicyandiamid- und/oder (Poly)-Aminbasis und/oder amino- und/oder alkoxyfunktionaler Alkyl-/Aryl-Polysiloxanbasis, um- fasst.

9. Pulverlackformulierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass diese als vorzugsweise versprüh- barer Pulverlack hergerichtet ist.

10. Pulverlackformulierung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass diese im ausgehärteten Zustand einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von höchsten 40 * 10^_6*K^_1 besitzt.

11. Elektrische Maschine (10), insbesondere rotierende elekt- rische Maschine für den Hochspannungs- oder Niederspannungs- bereich, umfassend zumindest einen Leiter (8) und ein Isola- tionssystem (12), welches Isolationskomponenten zum Isolieren des Leiters (8) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationssystem (12) zumindest zum Teil durch ein- oder mehrmaliges Applizieren einer Pulverlackformulierung nach ei- nem der Ansprüche 1 bis 10 der Isolationskomponenten und nachfolgende Aushärtung erhältlich und/oder erhalten ist.

12. Verfahren zur Herstellung eines Isolationssystems (12) einer elektrischen Maschine (10), insbesondere einer rotie- renden elektrischen Maschine (10) für den Hochspannungs- oder Niederspannungsbereich, bei welchem eine Pulverlackformulie- rung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ein- oder mehrmals mit Isolationskomponenten, welche einen Leiter (8) der Maschine (10) beschichtet und nachfolgend ausgehärtet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, umfassend die Schritte: a) Herstellen einer Pulverlackformulierung nach einem der An- sprüche 1 bis 10, b) Vorbereiten eines Substrats durch Erwärmen und/oder elekt- risches Kontaktieren, c)Applikation der Pulverlackformulierung auf das vorbereitete Substrat (8), insbesondere Versprühen und/oder Eintauchen des Substrates (8) in ein Wirbelbett der Pulverlackformulierung, d) Aufschmelzen, Trocknen und/oder Angelieren der Pulverlack- formulierung auf dem Substrat (8), sowie e) Aushärten der Pulverlackformulierung zur Ausbildung des Isolationssystems (12).

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem die Schritte c) und d) ein- oder mehrmals wiederholt werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, das zumin- dest zum Teil automatisiert durchgeführt wird.