WO2001048891A1 - Wärmeausdehnungs-angepasste isolation für statorleiter von rotierenden elektrische maschinen - Google Patents

Wärmeausdehnungs-angepasste isolation für statorleiter von rotierenden elektrische maschinen Download PDF

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Bodo Brühl
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/30—Windings characterised by the insulating material

Definitions

  • the invention relates to the field of insulation of electrical machines.
  • the invention relates to insulation adapted for thermal expansion for stator conductors of rotating electrical machines.
  • tapes consisting of a glass fiber backing and mica paper are spirally wound in layers on a stator conductor until a desired insulation thickness is reached. Subsequent impregnation in epoxy resin displaces the remaining air from the resulting insulation wrap and the tape layers are glued. Hardening in a suitable form gives the insulation its final shape. Due to the manufacturing process, the mica platelets in this process are aligned in the direction of the ribbon, so that the finished insulation results in an alignment of the mica platelets parallel to the conductor surface.
  • stator conductors are wound with tapes consisting of thermoplastic, filled with mica. Solidification and shaping takes place here by hot pressing the wound stator conductor, which results in air displacement, melting of the thermoplastic and adhesion of the winding layers. With this method, too, the mica platelets are aligned parallel to the conductor surface. Finally, the stator conductor can also be isolated by extrusion with thermoplastics without fillers, ie also without mica, as described in US Pat. No. 5,650,031.
  • Insulation adapted to thermal expansion has hitherto been known only in the field of also encapsulating electronic components or methods in order to achieve the lowest possible thermal expansion of these plastic housings.
  • JP-A-41 83 711 discloses the production of a semiconductor encapsulation based mainly on epoxy resins and inorganic fillers, quartz glass being used, among other things.
  • Advantages of this semiconductor encapsulation are shock resistance and low risk of cracking under thermal stress, such as soldering, since there is little or no difference in the thermal expansion between the semiconductor component and a plastic housing of the semiconductor encapsulation. This is achieved by reducing the coefficient of expansion of the polymer by admixing inorganic fillers with low coefficients of expansion.
  • Similar preparations for semiconductor encapsulation, in which polyester, polyimide, polyphenol, silicone resin, etc. are additionally used, are also known from JP-A-61 026 249, JP-A-59 168 043 and JP-A-59 084 937 known. Only rounded quartz glass is used as the filler.
  • JP-A-7 01 1 105, JP-A-5 132 609 and JP-A-61 188 465 disclose further manufacturing processes for semiconductor encapsulation, a thermoplastic plasticizer being additionally added in the percentage range.
  • JP-A-60 084 361 further describes how both the coefficient of expansion and the thermal conductivity of synthetic resins can be optimized by combining rounded quartz glass grains with fillers of high thermal conductivity (Al 2 O 3 or BN). Epoxy resin and phenolic resin are incorrectly referred to as thermoplastics.
  • UK-A-2 244 174, JP-A-7 118 542, JP-A-1 248 546 and JP-A-62 158 754 disclose mixtures of polymers with quartz glass filler for encapsulating electronic components, the polymers being exclusively thermoplastics. The following are mentioned as thermoplastics: polyphenylene sulfide (PPS), polybutylene terephthalate (PBT) and liquid crystal polymers.
  • PPS polyphenylene sulfide
  • PBT polybutylene terephthalate
  • liquid crystal polymers liquid crystal polymers.
  • the filler particles are also coated with an elastomer for flexibility
  • JP-A-62 158 754 uses a material with a fibrous nature as a second filler to improve the mechanical properties.
  • the conductors to be insulated from rotating electrical machines are usually quite complexly shaped structures in the form of rods or coils.
  • a straight part of the ladder is in the slots of the stator of the machine. After a corresponding connection with adjacent bars and coils, a bent part forms a winding head which protrudes from the stator at both ends.
  • the length of the straight part can exceed 6m for large rotating machines. So far it has been problematic that the insulation and the conductor usually have different thermal expansion coefficients ⁇ .
  • the thermal cycling which always occurs when the machine is in operation, "only" leads to stresses in the insulation.
  • voltages can add up in such a way that the adhesion between the conductor and the insulation can be released.
  • cavities can preferably occur at the transition between the straight and curved part of the conductor, in which cavities occur during operation. Such discharges are known as the damage mechanism of the insulation.
  • thermoplastics differs significantly more than that of copper than in the case of glass fabric / mica / Epoxy insulation as indicated in Table 1 for common thermoplastics (from the catalog of LNP Engineering Plastics, the Netherlands).
  • thermoplastics i.e. the coefficient of expansion of the thermoplastic material should be changed such that the mismatch in the coefficient of expansion becomes as small as possible.
  • Fig. 1 shows the course of the coefficient of thermal expansion (CTE) depending on the degree of filling of alkali glass and
  • Fig. 2 shows the temperature profile of the coefficient of thermal expansion for filled polyethersulfone.
  • Thermoplastic materials have major advantages in manufacturing technology compared to the glass fabric / mica / epoxy material combination that is conventionally used for insulation.
  • the conventional winding and impregnation process for conductors of rotating electrical machines is very time-consuming compared to modern thermoplastic manufacturing processes such as extrusion, injection molding or powder coating.
  • the present invention is therefore aimed at using thermoplastic materials instead of the conventional material combination for insulating conductors.
  • Tmax 155 °
  • thermoplastics are quite brittle.
  • thermoplastic material by adding fillers in a suitable type and concentration in such a way that the mismatch in the expansion coefficient ⁇ between insulation and conductor is as small as possible, preferably less than half as much as in the system Mica currently used - major / copper, ie less than 3-4 ppm / K.
  • CTE coefficient of thermal expansion
  • the upper curve represents the course for PSU (polysulfone) and the lower curve shows the course for PES (polyether sulfone).
  • PES polyether sulfone
  • the lower overall value of the thermal expansion coefficient when using polyether sulfone with the same percentage of filler is due to the lower thermal expansion coefficient of the polymer matrix ago (PES: 55 ppm / K; PSU: 59ppm / K).
  • Linear extrapolation to higher fill levels shows that the target value of 17 to 20 ppm / K for the thermal expansion coefficient of the overall insulation would only be achievable at fill levels beyond 70%.
  • Such degrees of filling are technically very difficult to achieve, since the polymer melt has a drastic increase in viscosity above about 65% filling with fibers (which means that processing is impossible). In addition, the brittleness increases sharply.
  • FIG. 2 shows the temperature profile of the coefficient of thermal expansion (CTE) for filled PES (polyether sulfone) with a degree of filling of 60% w / w.
  • CTE coefficient of thermal expansion

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine wärmeausdehnungs-angepasste Isolation für Statorleiter von rotierenden elektrischen Maschinen. Bei dieser Isolation wird ein Leiter mit einem Thermoplasten beschichtet, wobei dem Thermoplasten ein anorganischer Füllstoff zur Senkungen des Ausdehnungskoeffizienten zugemischt ist.

Description

Wärmeausdehnungs-angepasste Isolation für Statorleiter von rotierenden elektrischen Maschinen
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Isolation von elektrischen Maschinen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine wärmeausdehnungs-angepasste Isolation für Statorleiter von rotierenden elektrischen Ma- schinen.
Stand der Technik
Herkömmlich werden auf dem Gebiet der Isolation von Statorleitern von elek- frischen Maschinen verschiedene Verfahren verwendet.
Bei einem Verfahren werden Bänder bestehend aus einem Glasfaserträger und Glimmerpapier auf einen Statorleiter lagenförmig spiralig aufgewickelt, bis eine gewünschte Isolationsdicke erreicht ist. Durch eine anschiiessende Im- prägnierung in Epoxyharz wird verbleibende Luft aus dem so entstandenen Isolationswickel verdrängt und die Bandlagen werden verklebt. Durch Aushärtung in einer geeigneten Form erhält die Isolation ihre Endform. Herstellungsbedingt sind die Glimmerplättchen bei diesem Verfahren in Bandrichtung ausgerichtet, so dass daraus in der fertigen Isolation eine Ausrichtung der Glimmerplättchen parallel zur Leiteroberfläche resultiert.
Gemäss eines weiteren aus der EP 0 660 336 A2 bekannten Verfahrens werden Statorleiter mit Bändern bestehend aus thermoplastischem Kunststoff, gefüllt mit Glimmer, bewickelt. Eine Verfestigung und Formung erfolgt hier durch Heisspressen des bewickelten Statorleiters, wobei es zu Luftverdrängung, Aufschmelzen des Thermoplasts und Verklebung der Wickellagen kommt. Auch bei diesem Verfahren sind die Glimmerplättchen parallel zur Leiteroberfläche ausgerichtet. Schliesslich kann eine Isolation des Statorleiters auch durch eine Extrusion mit Thermoplasten ohne Füllstoffe, d.h. auch ohne Glimmer, wie im US-Patent 5 650 031 beschrieben, erfolgen.
Eine wärmeausdehnungs-angepasste Isolation ist bisher lediglich auf dem Gebiet der auch die Einkapselung von Elektronik-Bauelementen bzw. Verfahren, um eine möglichst geringe thermische Ausdehnung dieser Kunststoffgehäuse zu erzielen, bekannt.
Beispielsweise ist aus der JP-A-41 83 711 ist eine Herstellung einer Halbleiterkapselung basierend hauptsächlich auf Epoxidharzen und anorganischen Füllern bekannt, wobei unter anderem auch Quarzglas verwendet wird. Vorteile dieser Halbleiterkapselung sind Schockresistenz und geringe Rissgefahr bei thermischer Belastung, wie beispielsweise Löten, da ein geringer oder kein Unterschied in der thermischen Ausdehnung zwischen Halbleiterbauteil und einem Plastikgehäuse der Halbleiterkapselung vorliegt. Dies wird durch eine Verringerung des Ausdehungskoeffizienten des Polymers durch Zumischen von anorganischen Füllstoffen mit niedrigen Ausdehnungskoeffizienten erreicht. Ähnliche Herstellungen einer Halbleiterkapselung, bei denen zusätz- lieh Polyester, Polyimid, Polyphenol, Silikonharz, usw. verwendet werden, sind auch aus der JP-A-61 026 249, der JP-A-59 168 043 und der JP-A-59 084 937 bekannt. Als Füller wird dabei ausschliesslich gerundetes Quarzglas verwendet.
Zudem offenbaren die JP-A-7 01 1 105, die JP-A-5 132 609 und die JP-A-61 188 465 weitere Herstellungsverfahren für eine Halbleiterkapselung, wobei zusätzlich ein thermoplastischer Weichmacher im Prozentbereich hinzugegeben wird. Die JP-A-60 084 361 beschreibt weiterhin, wie durch Kombination von gerundeten Quarzglaskörnern mit Füllstoffen hoher Wärmeleitung (AI2O3 oder BN) sowohl der Ausdehnungskoeffizient als auch die Wärmeleitfähigkeit von Kunstharzen optimiert werden kann. Dabei werden Epoxydharz und Phenolharz fälschlicherweise als Thermoplaste bezeichnet. Schliesslich offenbaren die UK-A-2 244 174, die JP-A-7 118 542, die JP-A-1 248 546 und die JP-A-62 158 754 Mischungen von Polymeren mit Quarz- glasfüllstoff für die Einkapselung elektronischer Bauteile, wobei die Polymere ausschliesslich Thermoplaste sind. Als Thermoplaste werden genannt: Poly- phenylensulfid (PPS), Polybuthylenterephtalat (PBT) und Flüssigkristall- Polymere. Bei der UK-A-2 244 174 sind die Füllstoffpartikel zudem mit einem Elastomer zu Flexibilisierung überzogen, während die JP-A-62 158 754 als zweiten Füllstoff ein Material mit faseriger Beschaffenheit zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften verwendet.
Nunmehr sind die zu isolierenden Leiter von rotierenden elektrischen Maschinen meist recht komplex geformte Gebilde in der Form von Stäben oder Spulen. Ein gerader Teil der Leiter befindet sich in den Nuten des Stators der Maschine. Ein gebogener Teil bildet nach entsprechender Verbindung mit be- nachbarten Stäben und Spulen einen Wickelkopf, welcher an beiden Enden aus dem Stator herausragt. Die Länge des geraden Teils kann bei grossen rotierenden Maschinen 6m überschreiten. Problematisch ist bisher, dass Isolation und Leiter überlicherweise unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten α aufweisen.
Der Ausdehnungskoeffizient eines Kupferleiters beträgt α = 16.5 ppm/K, der von Glasgewebe/Glimmer/Epoxy-Isolation in Richtung des Glasgewebes α « 10 ppm/K; es resultiert also ein Unterschied im Ausdehnungskoeffizienten Δα = 6,5 ppm/K. Bei Maschinen kleiner Abmessungen führt die thermische Zy- klierung, welche bei Betrieb der Maschine immer auftritt, "nur" zu Spannungen in der Isolation. Bei grösseren Maschinen jedoch können sich Spannungen derart summieren, dass es zu einer Lösung der Haftung zwischen Leiter und Isolation kommen kann. Dadurch können bevorzugt am Übergang zwischen geradem und gebogenem Teil des Leiters Hohlräume auftreten, in denen bei Betrieb elektrische Entladungen stattfinden. Derartigen Entladungen sind bekannt als Schädigungsmechanismus der Isolation. Bei Isolierungen bestehend aus reinem Thermoplast, wie beispielsweise im US-Patent 5 660 031 beschrieben werden, sind diese Effekte noch wesentlich stärker: Zum einen weicht der Ausdehnungskoeffizient von Thermoplasten noch deutlich mehr von dem des Kupfers ab als bei der Glasgewe- be/Glimmer/Epoxy-lsolation, wie in Tabelle 1 für gängige Thermoplaste angegeben (aus dem Katalog der Fa LNP Engeneering Plastics, Niederlande).
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Tabelle 1
Zum anderen ist die Auswirkung dieser Fehlanpassung bei einer Isolation von Leitern von rotierenden Maschinen wesentlich gefährlicher: Die Langzeit- Resistenz der Isolation gegenüber inneren elektrischen Entladungen ist in reinen Polymeren bedeutend schlechter als in glimmergefüllten. Hinzu kommt, dass neben einer Hohlraumbildung an der Grenzfläche Leiter-Isolation zu befürchten ist, dass die unverstärkte Isolation beim Abkühlen Schrumpfungsrisse in radialer Richtung bekommt, wodurch sie sofort unbrauchbar wird.
Darstellung der Erfindung
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Isolation für Statorleiter von rotierenden elektrischen Maschinen derart weiterzubilden, dass die vorstehend beschriebenen Probleme bei der Verwendung von Thermoplasten nicht mehr auftreten, d.h. der Ausdehnungskoeffizient des Thermoplastmaterials soll derart abgeändert werden, dass die Fehlanpassung im Ausdeh- nungskoeffizienten möglichst klein wird.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe gelöst durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Dadurch wird eine wärmeausdehnungs-angepasste Isolation für Statorleiter verwirklicht, bei der es weder zu Hohlraumbildung an der Grenzfläche Leiter- Isolation noch zu Schrumpfungsrissen kommt. Zudem können die Herstellungskosten durch Massenproduktion und Zeitersparnis gesenkt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 den Verlauf des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) in Abhängigkeit vom Füllgrad an Alkaliglas und
Fig. 2 den Temperaturverlauf des thermischen Ausdehnungskoeffizienten für gefülltes Polyethersulphon.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Thermoplastische Werkstoffe besitzen gegenüber der herkömmlich für die Isolation verwendeten Werkstoffkombination Glasgewebe/Glimmer/Epoxy grosse Vorteile in der Fertigungstechnik. Ausserdem ist der herkömmliche Wickel- und Imprägnierprozess für Leiter von rotierenden elektrischen Ma- schinen verglichen mit modernen Thermoplastfertigungsverfahren wie Extru- sion, Spritzgiessen oder Pulverbeschichten sehr zeitaufwendig.
Daher ist die vorliegende Erfindung darauf gerichtet, anstelle der herkömmlichen Werkstoffkombination zum Isolieren von Leitern thermoplastische Werk- stoffe zu verwenden.
Hierfür kommen zunächst prinzipiell alle Thermoplaste in Frage, die den Anforderungen an die Temperaturbeanspruchung in rotierenden elektrischen Maschinen genügen, die alle mindestens die Anforderungen von Klasse F (Tmax = 155°) erfüllen. Diese sogenannten Hochtemperaturthermoplaste sind jedoch recht spröde. Ausserdem ist es nachteilig, dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Thermoplasten deutlich höher als der von Kupfer (Cu) mit α = 16.5 ppm/K. Sprödigkeit und Fehlanpassung der Ausdehnungs- koeffizienten führen bei Temperaturwechsel zu mechanischen Differenzspannungen zwischen Leiter und Isolation, wodurch es zu Rissen in der Isolation oder zu Hohlraumbildungen zwischen Leiter und Isolation kommen kann.
Daher war es Ziel der vorliegenden Erfindung, den Ausdehnungskoeffizienten des Thermoplastmaterials durch Zugabe von Füllstoffen in geeigneter Art und Konzentration derart abzuändern, dass die Fehlanpassung im Ausdehnungskoeffizienten α zwischen Isolation und Leiter möglichst klein wird, vorzugsweise weniger als halb so viel wie beim derzeit verwendeten System Mica- dur/Kupfer, d.h. weniger als 3-4 ppm/K.
Zudem sollte diese Abänderung des Ausdehnungskoeffizienten universell anwendbar sein. Im herkömmlichen Verfahren, wie in der EP 0 660 336 A2 offenbart, wird der Ausdehnungskoeffizient parallel zur Staboberfläche bei guter Ausrichtung der Glimmerplättchen zwar auf die geforderten Werte reduziert, bei schlechter oder willkürlicher Ausrichtung jedoch nicht. Fertigungsverfahren, welche nicht zwangsläufig zu einer Plättchenorientierung führen, werden daher bei einer Verwendung von Thermoplast/Glimmer-Mischungen nicht die erforderlichen α-Werte erreichen. Mit den herkömmlichen Verfahren lässt sich diese Ausrichtung normalerweise gar nicht, bestenfalls nur mit erheblichem konstruktiven Aufwand erreichen. Glimmerzugabe scheidet somit als generell anwendbare Lösung aus.
Somit war das Problem der Anpassung von Ausdehnungskoeffizienten zwischen Metallen und Kunststoffen, das auch auf anderen technischen Gebie- ten auftritt, wie z.B. dem vorstehend erläuterten Gebiet des Einkapseins von Halbleiter-Bauelementen, zu lösen. Da es prinzipiell nicht möglich ist, den Ausdehnungskoeffizienten von Kupfer (Cu) in geeignetem Masse zu erhöhen, war des Ziel, den Ausdehnungskoeffizienten des Polymers zu veπingern. Dies geschieht am einfachsten durch Beimischen von anorganischen Füllstoffen. Eine Auswahl gängiger Füllstoffe und ihrer Ausdehnungskoeffizienten gibt Tabelle 2 (Y.S. Touloukian, "Ther- mophysical Properties of Matter", Vol. 13, Plenum Press, New York-Chicago).
Material kristall. Alkaliglas AluminiumWollasto- Quarzglas Quarz* oxid* nit* α (ppm/K) 11 10 12 3-6 0.5
* über unters jchiedliche Ri chtungen im Kristall qemitt elte Werte
Tabelle 2
Die bei weitem üblichsten Füllstoffe sind Quarz und Alkaliglas. Eine Mischungsreihe Polysulfon oder Polyethersulfon mit Glas ergab, dass das Ziel 16.5 ppm/K nicht mit Füllgraden erreichbar ist, welche mit konventionellen Thermoplastverarbeitungsmethoden (Extrusion, Spritzgiessen) problemlos verarbeitbar sind, d.h. maximal ca. 60%w/w Füllstoff. Höhere Füllgrade würden auch die mechanischen Eigenschaften unzulässig beeinflussen (Sprödig- keit). Bei der Beschichtung eines Kupferstabes mit PSU/30% Glasfaserfüllung (α = 42 ppm/K) mittels thermischen Spritzens wurden radiale Risse beobachtet, was zeigt, dass ein Thermoplast mit diesem Ausdehnungskoeffizienten ungeeignet ist für Isolationsauftrag auf Stäbe. Für Quarz und Aluminiumoxid (α etwa ähnlich wie Alkaliglas) mit Füllgraden <60% ist das Ziel ebenfalls nicht erreichbar. Somit ergibt sich, dass lediglich die prinzipielle Idee einer Verwendung von anorganischen Füllstoffen verwendbar ist.
Es ergab sich aus entsprechenden Versuchen, dass eine Füllung von Polye- thersulphon mit Quarzglas oder Wollastonit das gewünschte Ziel erreicht. Wie in Fig. 2 dargestellt, sinkt bei einer derartigen Füllung von Polyethersulphon mit Quarzglas oder Wollastonit der Ausdehnungskoeffizient in den entsprechenden 60% Mischungen auf < 19 ppm/K für T < 100°C. ö
Fig. 1 ist eine Darstellung des Verlaufs des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) in Abhängigkeit von dem Füllgrad an Alkaliglas (Gewicht%). In dieser Darstellung stellt die obere Kurve den Verlauf für PSU (Polysulfon) und die untere Kurve den Verlauf für PES (Polyethersulfon) dar. Der niedriger Ge- samtwert des Wärmeausdehnungskoeffizienten bei Verwendung von Polyethersulfon bei gleichem Prozentsatz an Füller rührt von dem niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten der Polymermatrix her (PES: 55 ppm/K; PSU: 59ppm/K). Durch lineare Extrapolation zu höheren Füllgraden wird ersichtlich, dass der Zielwert von 17 bis 20 ppm/K für den Wäremeausdeh- nungskoeffizienten des Gesamtisolation erst bei Füllgraden jenseits 70% erreichbar wäre. Derartige Füllgrade sind technisch sehr schwierig zu realisieren, da die Polymerschmelze oberhalb ca. 65% Füllung mit Fasern einen drastischen Viskositätsanstieg aufweist (was bedeutet, dass die Verarbeitung unmöglich wird). Zudem steigt die Sprödigkeit stark an.
Weiterhin zeigt Fig. 2 den Temperaturverlauf des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) für gefülltes PES (Polyethersulfon) mit einem Füllgrad von 60% w/w. Es sind die Verläufe sowohl für Wollastonit als auch für Quarzglas als Füllstoff dargestellt. Infolge der niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizien- ten-Werte dieser Füller ist der gewünschte Gesamt- Wärmeausdehnungskoeffizient < 60% erreichbar.

Claims

Patentansprüche:
1. Wärmeausdehnungs-angepasste Isolation für Kupfer-Leiter von rotierenden elektrischen Maschinen, gekennzeichnet durch einen Thermoplasten zur Beschichtung eines Leiters, wobei dem Thermoplasten ein anorganischer Füllstoff zur Senkung des Ausdehnungskoeffizienten zugemischt ist.
2. Isolation nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Thermoplast Polyethersulfon (PES) ist.
3. Isolation nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der anorganische Füllstoff Wollastonit oder Quarzglas ist.
4. Isolation nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllgrad 50 bis 70% beträgt.
5. Isolation nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausdehnungskoeffizient (α) der Isolierung für eine Temperatur < 100°C um weniger oder gleich 3 ppm/K vom Ausdehnungskoeffizienten von Kupfer abweicht.
PCT/CH2000/000679 1999-12-28 2000-12-21 Wärmeausdehnungs-angepasste isolation für statorleiter von rotierenden elektrische maschinen WO2001048891A1 (de)

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