WO2013045224A2 - Elektrische maschine und verfahren zur herstellung - Google Patents

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WO2013045224A2
WO2013045224A2 PCT/EP2012/067142 EP2012067142W WO2013045224A2 WO 2013045224 A2 WO2013045224 A2 WO 2013045224A2 EP 2012067142 W EP2012067142 W EP 2012067142W WO 2013045224 A2 WO2013045224 A2 WO 2013045224A2
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machine
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Stefan Kempen
Steffen Lang
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/32—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation
    • H02K3/40—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation for high voltage, e.g. affording protection against corona discharges

Definitions

  • Electric machine and method for manufacturing The invention relates to electrical machines with accordinglyflä ⁇ Chen, such as electrically rotating machine, isolated windings in the stator end winding, Endenglimmschutzanssenen, transformers, for example, high voltage and Strom trimer ⁇ stanchions, spark plugs for internal combustion engines, Gradien- tenspulen, circuit breakers and similar, wherein the outer surfaces have improved protection against partial discharges, and a manufacturing method thereto.
  • Electric machines typically include a large number of different types of electrically-stressed external interfaces. These interfaces are characterized in that they communicate with the atmosphere surrounding the Ma ⁇ machine, in interaction.
  • the electrical Fes ⁇ ACTION the outer boundaries with respect to the onset of partial discharges surface depends on the surrounding atmosphere.
  • the machines are designed in such a way that no partial discharges may occur at the external interface during testing, commissioning and also during longer operation.
  • the occurrence of partial discharges is determined by the tangential field component at the interface, by the quality of the interface, as well as by the properties of the surrounding medium (environmental influences).
  • environmental influences In particular, it is known that the field strength of use of temperature, air pressure and air humidity is ⁇ dependent.
  • the possible influence due to contamination of the surface must also be taken into account.
  • conductive and nonconductive as well as hygroscopic types of contamination.
  • constructive solutions such as creeping path extension, such as the rib structure in open-air insulators, outdoor high-voltage bushings, long-rod outdoor air insulators to hydrophobic silicone polymer used so far.
  • the treatment of surfaces with silicone oil also serves to reduce Detailentla ⁇ tions on electrically exposed outer surfaces.
  • the object of the invention is therefore to protect electrically stressed exterior surfaces against the occurrence of partial discharges.
  • the invention relates to an electrical machine with an outer surface, on which there may be partial discharges, which has a protective coating based on polysilazane, polysiloxane and / or polycarbosilane.
  • polysilazanes to reactivate polycarbosilanes and polysiloxanes with the hydroxyl groups on metal surfaces rapidly forms a covalent bond between the outer surface to be protected and the resist. This results in a hard layer that already protects in the thinnest layers. For example, layer thicknesses of 15 to 200 nm are sufficient for a protective layer that is effective against partial discharges.
  • Suitable base coats are, for example, all epoxy resins and other resins which have active hydroxyl or oxide groups on the surface after curing.
  • the polysilazanes are usually polymeric compounds in which silicon and nitrogen atoms form the chemical backbone in an alternating arrangement. Often every silicon atom is bound to two nitrogen atoms and each one
  • R1 to R3 can be hydrogen atoms or organic radicals.
  • the polysilazanes are isoelectronic xanen with the likewise suitable for the purposes of the invention Polysilo- [RlR2Si-0] n ⁇ The polysilazanes and polysiloxanes rea ⁇ yaw from the metal oxide or hydroxyl groups on the outer surfaces of the electrical machines.
  • Polycarbosilanes are chemical compounds in which silane and hydrocarbon groups are linked together.
  • the chains of silicon atoms present in silanes and hydrocarbons consisting of carbon atoms here consist of chains in which silicon and carbon atoms are present alternately or mixed. This chain can then react with elimination of an organic radical or a hydrogen atom ⁇ atom with the oxide or hydroxyl groups on the outer surface of the electric machine.
  • the protective layer may have other additives such as flow aids, pigments, initiators, fillers, etc.
  • the protective layer has a in comparison with the plastic re ⁇ tively high specific thermal conductivity.
  • the surface of the protective layer usually has an extremely smooth structure and is relatively non-polar, ie hydrophobic.
  • Protective layer which is characterized by special hardness ⁇ net.
  • the temperature resistance of the protective layer of polysiloxane, polysilazane, polycarbosilane is well above 600 ° C.
  • the thinness of the layer is advantageous because there ⁇ also adheres well through the protective layer to the particularly stressed corners and edges and does not flow. So corners and edges can be coated very well.

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  • Power Engineering (AREA)
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  • Organic Insulating Materials (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft elektrische Maschinen mit Außenflächen, wie elektrisch rotierende Maschinen, isolierte Wicklungen im Ständerwickelkopf, Endenglimmschutzanordnungen, Transformatoren, beispielsweise Hochspannungs- und Stromdurchführungen, Zündkerzen für Verbrennungskraftmaschinen, Gradientenspulen, Leistungsschalter und ähnliche, wobei die Außenflächen einen verbesserten Schutz gegen Teilentladungen haben, sowie ein Herstellungsverfahren dazu.

Description

Beschreibung
Elektrische Maschine und Verfahren zur Herstellung Die Erfindung betrifft elektrische Maschinen mit Außenflä¬ chen, wie elektrisch rotierende Maschinen, isolierte Wicklungen im Ständerwickelkopf, Endenglimmschutzanordnungen, Transformatoren, beispielsweise Hochspannungs- und Stromdurchfüh¬ rungen, Zündkerzen für Verbrennungskraftmaschinen, Gradien- tenspulen, Leistungsschalter und ähnliche, wobei die Außenflächen einen verbesserten Schutz gegen Teilentladungen haben, sowie ein Herstellungsverfahren dazu.
Elektrische Maschinen, wie die oben genannten, beinhalten in der Regel eine Großzahl verschiedenartiger elektrisch beanspruchter Außengrenzflächen. Diese Grenzflächen sind dadurch charakterisiert, dass sie mit der Atmosphäre, welche die Ma¬ schine umgibt, in Wechselwirkung stehen. Die elektrische Fes¬ tigkeit der Außengrenzflächen bezüglich des Einsetzens von Oberflächenteilentladungen ist abhängig von der umgebenden Atmosphäre .
Dabei ist wünschenswert, dass die Maschinen so gebaut sind, dass an der Außengrenzfläche keine Teilentladungen beim Prü- fen, Inbetriebnahme und auch während des längeren Betriebes auftreten dürfen.
Das Auftreten von Teilentladungen ist durch die tangentiale Feldkomponente an der Grenzfläche, durch die Güte der Grenz- fläche, sowie durch die Eigenschaften des umgebenden Mediums bestimmt (Umwelteinflüsse) . Insbesondere ist bekannt, dass die Einsatzfeldstärke von Temperatur, Luftdruck und Luft¬ feuchtigkeit abhängig ist. Ferner ist aber auch der mögliche Einfluß durch eine Verunreinigung der Oberfläche zu berück- sichtigen. Hierbei ist zwischen leitfähigen und nichtleitfä- higen, sowie hygroskopischen Verschmutzungsarten zu unterscheiden . Zur Verhinderung von Teilentladungen werden bislang konstruktive Lösungen wie Kriechwegverlängerung, wie beispielsweise die Rippenstruktur bei Freiluftisolatoren, Freilufthochspan- nungsdurchführungen, Langstabfreiluftisolatoren au hydropho- bem Silikonpolymer, eingesetzt. Auch die Behandlung von Oberflächen mit Silikonöl dient der Verminderung von Teilentla¬ dungen an elektrisch beanspruchten Außenflächen.
Aufgabe der Erfindung ist daher, elektrisch beanspruchte Au- ßenflächen gegen das Auftreten von Teilentladungen zu schützen .
Gegenstand der Erfindung ist eine elektrische Maschine mit einer Außenfläche, auf der es zu Teilentladungen kommen kann, die einen Schutzlack auf Basis von Polysilazan, Polysiloxan und/oder Polycarbosilan hat.
Durch die Fähigkeit der Polysilazane, Polycarbosilane und Po- lysiloxane mit den Hydroxylgruppen auf Metalloberflächen ab- zureagieren, bildet sich zwischen der zu schützenden Außenfläche und dem Schutzlack schnell eine kovalente Bindung aus. Dadurch entsteht eine harte Schicht, die bereits in dünnsten Lagen schützend wirkt. So reichen bereits Schichtdicken von 15 bis 200nm für eine gegen Teilentladungen wirksame Schutzschicht aus.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird unter den
Schutzlack noch ein Unterlack aufgebracht, der als zusätzli- eher Haftvermittler zwischen dem Schutzlack und der Außenfläche einsetzbar ist, insbesondere dann, wenn die Außenfläche selbst zu wenig reaktive Hydroxylgruppen oder Metalloxidgrup¬ pen aufweist. Als Unterlack eignen sich beispielsweise alle Epoxidharze und andere Harze, die nach der Härtung aktive Hydroxyl- oder Oxidgruppen an der Oberfläche aufweisen. Die Polysilazane sind in der Regel polymere Verbindungen, in denen Silizium und Stickstoffatome in alternierender Anordnung das chemische Grundgerüst bilden. Häufig ist dabei jedes Siliziumatom an zwei Stickstoffatome gebunden und jedes
Stickstoffatom an zwei Siliziumatome, so dass sich bevorzugt molekulare Ketten und Ringe der allgemeinen Formel [RlR2Si- NR3]n bilden. Rl bis R3 können dabei Wasserstoffatome oder organische Reste sein. Die Polysilazane sind isoelektronisch mit den ebenfalls im Sinne der Erfindung geeigneten Polysilo- xanen [RlR2Si-0] n · Die Polysilazane und die Polysiloxane rea¬ gieren mit den Metalloxid- oder Hydroxylgruppen an den Außenflächen der elektrischen Maschinen ab.
Polycarbosilane sind chemische Verbindungen, in denen Silan- und Kohlenwasserstoffgruppen miteinander verknüpft sind. Die bei Silanen vorliegenden Ketten aus Siliziumatomen und bei Kohlenwasserstoffen die aus Kohlenstoffatomen bestehen hier aus Ketten, in denen Silizium- und Kohlenstoffatome abwechselnd oder gemischt vorliegen. Diese Kette kann dann unter Abspaltung eines organischen Restes oder eines Wasserstoff¬ atoms mit den Oxid- oder Hydroxylgruppen an der Außenfläche der elektrischen Maschine reagieren.
Grundsätzlich können alle Arten von Substraten beschichtet werden, da durch die Wahl geeignetere Substituenten an den polymeren Ketten beliebige Reste zur Reaktion mit den funktionellen Gruppen an den zu behandelnden Oberflächen einführen lassen . Aber auch auf polymeren Substraten ist die Beschichtung mit Polysilazanen, Polysiloxanen und Polycarbosilanen eine wirkungsvolle Methode, da Kunststoffe besonders schnell degra¬ dieren, insbesondere beim Vorhandensein von Teilentladungen. Neben der Hauptkomponente, die das Polysilazan, Polysiloxan und/oder Polycarbosilan bildet kann die Schutzschicht noch weitere Additive wie Fließhilfsmittel, Pigmente, Initiatoren, Füllstoffe etc. haben. Die Schutzschicht weist eine im Vergleich zum Kunststoff re¬ lativ hohe spezifische thermische Leitfähigkeit auf. Die Oberfläche der Schutzschicht zeigt in der Regel eine äußerst glatte Struktur und ist relativ unpolar, also hydrophob.
In der Regel bildet sich eine überwiegend anorganische
Schutzschicht aus, die sich durch besondere Härte auszeich¬ net .
Durch Aufpinseln oder Aufsprühen von dünnen Silazanschichten auf einen EGS wird dessen tangentiale TE-Einsetzspannung deutlich erhöht und zugleich vor eventuell auftretenden Teilentladungen geschützt.
Die Temperaturbeständigkeit der Schutzschicht aus Polysilo- xan, Polysilazan, Polycarbosilan liegt weit über 600°C.
Durch die genannte Beschichtung können sich weniger Wassermo- leküle und Verunreinigungen an den elektrisch kritischen
Oberflächen und/oder Außenflächen anlagern. So kann zum einen dafür gesorgt werden, dass beim Dauereinsatz keine frühzeitigen Teilentladungen auftreten und die Länge des elektrisch beanspruchten Bauteils so reduziert werden kann. Durch die anorganische Schutzschicht wird eben die Resistenz gegenüber Teilentladungen deutlich erhöht.
Insbesondere die Dünne der Schicht ist vorteilhaft, weil da¬ durch die Schutzschicht an den besonders belasteten Kanten und Ecken auch gut haftet und nicht abfließt. So können Ecken und Kanten besonders gut beschichtet werden.

Claims

Patentansprüche
Elektrische Maschine mit einer Außenfläche, auf der es zu Teilentladungen kommen kann, die einen Schutzlack auf Basis von Polysilazan, Polysiloxan und/oder Poly- carbosilan hat.
Maschine nach Anspruch 1, bei der der Schutzlack auf der Oberfläche der Außenfläche aufgebracht ist.
Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der unter dem Schutzlack noch ein Unterlack als Haftvermittler aufgebracht ist.
Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der Schutzlack eine Dicke von 15 bis 200 nm aufweist.
Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der Schutzlack noch Additive enthält.
Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine mit verbesserter Resistenz gegen Teilentladungen, wobei die Außenfläche der elektrischen Maschine mit einem Po¬ lysilazan, Polysiloxan und/oder Polycarbosilan besprüht, bepinselt oder sonst wie beschichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei auf die Außenfläche noch eine Zwischenschicht aufgebracht wird, damit die Schutzschicht besser haftet.
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