WO2020259963A1 - Imprägnierformulierung, isolationsmaterial, verfahren zum herstellen eines isolationsmaterials und elektrische maschine mit einem isolationsmaterial - Google Patents

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WO2020259963A1
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insulation material
impregnation
resin
epoxy
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Jürgen Huber
Steffen Lang
Niels Müller
Michael Nagel
Matthias ÜBLER
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • Impregnation formulation insulation material, method for producing an insulation material and electrical machine with an insulation material
  • the invention relates to an impregnation formulation and an insulation material for a winding tape insulation of an electrical machine, a method for producing an insulation material and an electrical machine with such an insulation material.
  • a magnetic field propagating all around is generated by temporally selective energization, which causes the freely rotating rotor, which is suspended in a bore in the stator, e.g. Due to a large number of applied permanent magnets, it reacts to the induced magnetic field in the form of forced rotation, drives it and thus converts electrical energy into kinetic energy.
  • the laminated core is electrically connected to ground, while the coils are connected to a high kilovolt potential.
  • the coils fitted into the stator slots must therefore be electrically isolated from the reference potential.
  • each coil is provided with a winding tape insulation, in which the coil, for example, with a special mica-based tape (so-called.
  • Mica tape is wrapped and insulated multiple times and overlapping in a defined manner.
  • mica is used because, as a particulate, in particular as a platelet-shaped, inorganic barrier material, it can effectively and permanently retard electrical erosion under electrical partial discharges, preferably over the entire service life of the machine or the generator, and has good chemical and thermal loading has permanence.
  • Mica tapes consist of mica paper and one or more carriers, eg fabric, film (s), which are connected to one another via a tape adhesive. Mica tapes are necessary because mica paper alone does not normally have the mechanical strength required for an insulation process.
  • additives can be added to the adhesive tape, for example initiators or accelerator substances, which initiate the hardening of an applied impregnation formulation to form a solid insulation material. Since the distance from the energized, insulated coil to the stator core is usually kept as small as possible, field strengths of several kV / mm are not uncommon there. The insulation material is stressed accordingly.
  • impregnation formulations which, as a resin formulation, comprise one or more epoxy base resins and one or more covalently copolymerizable polysiloxanes, which react with a hardener formulation to form a polymer structure in the insulation material, which even under very strong electrical conditions Partial discharge load practically not or only slowly degraded.
  • polysiloxane-containing impregnation formulations it is therefore possible to manufacture insulation materials in electrical machines using established processes at common processing temperatures, the insulation materials having significantly better electrical properties compared to polysiloxane-free insulation materials.
  • the glass transition temperature or the glass transition temperature range decreases, since organic polysiloxanes due to their chemical structure - similar to typical flexibilizer additives - lead to decreasing glass transition temperatures in epoxy base resins that are otherwise free of flexibilizer.
  • the erosion resistance to partial discharges can be increased accordingly high polysiloxane additive contents are increased, but at the same time the glass transition temperature of the insulation material decreases so much that even higher operating temperatures of electrical machines that are provided with such insulation materials are sufficient to temporarily or permanently exceed the glass transition temperature of the insulation, which leads to degradation the insulation, leads to increased electrical losses and deteriorated mechanical properties and shortened lifetimes of the electrical machine.
  • the object of the present invention is to provide an impregnation formulation that allows the production of an insulation material that has improved electrical and mechanical resistance even at higher operating temperatures of an associated electrical machine. Further objects of the invention are to provide an insulation material with improved electrical and mechanical resistance, a method for producing such an insulation material and an electrical machine with such an insulation material.
  • a first aspect of the invention relates to an impregnation formulation for a winding tape insulation of an electrical machine, comprising a resin formulation with at least one epoxy base resin and a hardener formulation with at least one nem hardener, whereby the resin formulation can react with the hardener formulation to form an insulation material.
  • the resin formulation in addition to the epoxy base resin, comprises at least one component with at least one saturated and / or unsaturated epoxycycloalkyl group, by means of which a glass transition temperature of the insulation material compared to an impregnation formulation without the component is increased.
  • the invention provides that the resin formulation contains at least two constituents, namely an epoxy base resin and a component which has one or more epoxycycloalkyl groups, each of the epoxycycloalkyl groups being saturated or mono- or polyunsaturated .
  • Unsaturated epoxycycloalkyl groups can also be referred to as epoxycycloalkenyl groups.
  • the cycloaliphatic epoxy functionality (s) of the component is or are sterically very demanding and has or have a high space requirement due to the non-planar cycloaliphatic ring structure.
  • this structure (s) into the polymer network of the cured insulation material leads to higher glass transition temperatures with simultaneously increased electrical resistance compared to an impregnation formulation that does not contain the at least one component, but otherwise has the same composition cured insulation material.
  • the glass transition does not take place at a sharp temperature value, but in a glass transition temperature range.
  • the mean temperature value of the glass transition temperature range is used as the glass transition temperature.
  • the molar-stoichiometric ratio of resin formulation to hardener formulation can be adjusted as required, a ratio of about 1: 0.9 to about 1: 1 usually being used.
  • the component comprises at least 2 and preferably between 8 and 12 saturated and / or unsaturated epoxycycloalkyl groups.
  • the component has a plurality of saturated and / or unsaturated epoxycycloalkyl groups, namely for example 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 or more.
  • the component can be used as a multifunctional Vernet zer with adjustable space requirements, whereby the glass transition temperature of the cured insulation mate rials can be adjusted particularly precisely.
  • the at least one epoxycycloalkyl group is bound to a structural element of the component via a spacer.
  • the spacer can be, for example, a Ci-Ci2-alkyl radical and generally be attached to any suitable position of the cycloalkyl group. This also enables a particularly precise setting of the glass transition temperature and, in individual cases, facilitates the arrangement of several epoxycycloalkyl groups on the structural element of the component.
  • the at least one epoxycycloalkyl group is selected from a group comprising epoxy-C3-C8-cycloalkyl groups.
  • the at least one epoxycycloalkyl group can be an epoxycyclopropyl, epoxycyclobutyl, epoxycyclopentyl, epoxycyclohexyl, epoxycycloheptyl or epoxycyclooctyl group.
  • the space requirement of the component and thus the glass transition temperature of the cured insulation material can be set particularly precisely.
  • the component comprises at least one epoxycycloalkyl group-containing polysilsesquioxane.
  • Polysilsesquioxanes are silicon resins that can be synthesized using trifunctional organosilane compounds and represent an organic-inorganic hybrid material that combines the inorganic properties of the siloxane bond (Si-O-Si), which forms the main chain, and the organic properties of the organic ones Function group that forms or form the side chain tein), combined.
  • This molecular, "liquid sand" at room temperature which usually has a particle diameter of ⁇ 1 nm, can generally be modified with one or more epoxycycloalkyl functionalities, where each epoxycycloalkyl group is optionally via a spacer such as a methyl, ethyl, propyl group, etc.
  • the cycloaliphatic epoxy functionality (s) of these hybrid molecules can, for example, copolymerize with an anhydride-containing base epoxy resin and are thus incorporated completely and in a highly dispersed manner in the resulting insulation material.
  • the cycloaliphatic epoxy functionality (s) has or have the already mentioned high sterics due to the non-aromatic ring structure (s) and lead to higher glass transition temperatures when the component is incorporated into the polymeric network.
  • the backbone of these polysilsesquioxane derivatives which are used as additives, consists of a (poly) oligosiloxane - i.e. organically modified silicon which, for example, according to the formula (Epoxycyclohexylethyl) 8-12 (SiOi.5) 8-12 already 1.5- is present times oxidized - the stage to the completely oxidized and quasi organically embedded silicon dioxide is reached very quickly by partial discharge bombardment in the operation of an associated electrical machine, so that these polysilsesquioxane derivatives in the insulation material according to the invention under electrical stress in-situ into a highly active anti- Be converted to erosion additive.
  • a (poly) oligosiloxane - i.e. organically modified silicon which, for example, according to the formula (Epoxycyclohexylethyl) 8-12 (SiOi.5) 8-12 already 1.5- is present times oxidized - the stage to the completely oxidized and quasi
  • the polysilicon sesquioxane derivatives mentioned also have other advantageous properties such as transparency, heat resistance, hardness, electrical resistance, dimensional stability (low thermal expansion) and flame retardancy.
  • one or more different functional groups can generally be provided, via which further properties such as compatibility with the epoxy base resin and / or the hardener formulation, dispersion stability, storage stability, fracture factor and reactivity can be set.
  • the at least one polysilsesquioxane containing epoxycycloalkyl groups has a random structure, a ladder structure or a cage structure. This enables the resulting glass transition temperature of the insulation material to be influenced in a targeted manner.
  • the polysilsesquioxane containing epoxycycloalkyl groups can have a cage structure with 6, 8, 10 or 12 Si
  • the component comprises or is a cycloaliphatic epoxy resin, in particular 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3,4 epoxycyclohexanecarboxylate.
  • a cycloaliphatic epoxy resin in particular 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3,4 epoxycyclohexanecarboxylate.
  • the resin formulation additionally comprises at least one polysiloxane, in particular a diglycidyl ether-terminated poly (dialkylsiloxane) and / or a diglycidyl ether-terminated poly (phenylsiloxane).
  • polysiloxanes like polysilsesquioxanes, can form a -SiR 2 -0 backbone in the cured insulation material.
  • R stands for all types of organic radicals which are suitable for hardening or crosslinking to form an insulation material.
  • R stands for -aryl, -alkyl, -heterocyclic, nitrogen, Oxygen and / or sulfur-substituted aryls and / or alkyls.
  • each R can be chosen to be the same or different and generally stand for the following groups:
  • - Alkyl for example -methyl, -propyl, -isoPropyl, -Butyl, -isoButyl, -tertButyl, -Pentyl, -isoPentyl, -Cyclopentyl as well as all other analogues up to dodecyl, ie the homologue with 12 C-atoms;
  • Aryl for example: benzyl, benzoyl, biphenyl, toluyl, xylenes, etc., in particular, for example, all aryl radicals whose structure corresponds to Hückel's definition of aromaticity
  • heterocycles in particular sulfur-containing heterocycles such as thiophene, tetrahydrothiophene, 1,4-thioxane and homologues and / or derivatives thereof,
  • Oxygen-containing heterocycles such as Dioxane, nitrogen-containing heterocycles such as -CN, -CNO, -CNS, -N3 (azide) etc.
  • - sulfur substituted aryls and / or alkyls e.g. Thiophene, but also thiols.
  • the epoxy base resin is selected from a group consisting of epoxy resins containing phthalic anhydride derivatives and epoxy resins free of phthalic anhydride derivatives, in particular bisphenol-A diglycidyl ether (BADGE), bisphenol-F diglycidyl ether (BFDGE), epoxy novelty , Epoxy-phenol-novolak, epoxy-polyurethanes or any mixture thereof.
  • BADGE bisphenol-A diglycidyl ether
  • BFDGE bisphenol-F diglycidyl ether
  • epoxy novelty Epoxy-phenol-novolak
  • epoxy-polyurethanes epoxy-polyurethanes or any mixture thereof.
  • the epoxy base resin can be undistilled and / or distilled, optionally reactively diluted bisphenol A diglycidyl ether, undistilled and / or distilled, optionally reactive diluted bisphenol F diglycidyl ether, hydrogenated bisphenol A diglycidyl ether and / or hydrogenated bisphenol -F-diglycidyl ether, pure and / or solvent-diluted epoxy novolak and / or epoxy phenol novolak, cycloaliphatic epoxy resins such as 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexylcarboxylate, for example CY179, ERL-4221; Celloxide 2021P, bis (3, 4-epoxycyclohexylmethyl) adipate, for example ERL-4299; Celloxide 2081, vinylcyclohexene diepoxide, for example ERL-4206; Cel- loxide 2000, 2- (3, 4-epoxycyclohexyl-5, 5-spir
  • N, N, N ', N' -tetraglycidyl-4,4'-methylenedianiline e.g. MY720, MY721, MY725, and any mixtures of the aforementioned compounds.
  • the hardener formulation is selected from a group consisting of cationic and anionic hardening catalysts, amines, acid anhydrides, in particular methylhexa-hydrophthalic anhydride, siloxane-based hardeners, hardeners containing oxirane groups, in particular glycidyl ethers, superacids , Epoxy-functionalized hardeners or any mixture thereof, and / or that the hardener formulation comprises at least one accelerator substance, in particular a tertiary amine and / or an organic zinc salt.
  • the hardener formulation can comprise organic salts such as organic ammonium, sulphonium, iodonium, phosphonium and / or imidazolium salts and amines such as tertiary amines, pyrazoles and / or imidazole compounds.
  • organic salts such as organic ammonium, sulphonium, iodonium, phosphonium and / or imidazolium salts and amines such as tertiary amines, pyrazoles and / or imidazole compounds.
  • organic salts such as organic ammonium, sulphonium, iodonium, phosphonium and / or imidazolium salts and amines such as tertiary amines, pyrazoles and / or imidazole compounds.
  • 4,5-Dihydroxymethyl-2-phenylimidazole and / or 2-phenyl-4-methyl-5-hydroxymethylimidazole may be mentioned here by way of example
  • a proportion of the at least one component in the resin formulation is at least 1% by weight, for example 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%,
  • the chemical, mechanical and thermal properties of the resulting insulation material can be optimally adapted to the respective application.
  • a second aspect of the invention relates to an insulation material for winding tape insulation of an electrical machine, the insulation material being obtainable according to the invention and / or obtained from an impregnation formulation according to the first aspect of the invention, the insulation material having a glass transition temperature of at least 90 ° C.
  • the insulation material has a higher glass transition temperature than an insulation material that is otherwise produced without the component and thus also at higher operating temperatures of an associated electrical one Machine has improved electrical and mechanical resistance.
  • a glass transition temperature of at least 90 ° C are for example
  • a third aspect of the invention relates to a method for producing an insulation material for a winding tape insulation of an electrical machine, in which an impregnation formulation according to the first aspect of the invention is provided and the resin formulation and hardener formulation of the impregnation formulation are reacted with one another and harden to form the insulation material the insulation material has a glass transition temperature of at least 90 ° C.
  • At least one element from the group of carrier materials, barrier materials and tape adhesive is soaked with the impregnation formulation and the insulation material is produced by a vacuum-pressure impregnation process.
  • the cavities located in the carrier material for example mica paper, between the individual particles and / or band folds are filled with the insulation formulation.
  • the combination of impregnation formulation and carrier material is hardened and forms the solid insulation material, which then provides the mechanical strength of the insulation system.
  • the electrical strength results from the large number of solid-solid interfaces. Thanks to the vacuum pressure impregnation process (VPI process), even the smallest voids in the insulation of the insulation formulation can be filled, which minimizes the number of internal gas-solid interfaces and prevents partial discharges during later operation of the electrical machine.
  • VPI process vacuum pressure impregnation process
  • Another aspect of the invention relates to an electrical machine, in particular a medium and / or high voltage machine Machine which, according to the invention, an insulation material which is designed and / or obtained according to the second aspect of the invention and / or by an impregnation formulation according to the first aspect of the invention and / or by a method according to the third aspect of the invention.
  • an electrical machine in particular a medium and / or high voltage machine Machine which, according to the invention, an insulation material which is designed and / or obtained according to the second aspect of the invention and / or by an impregnation formulation according to the first aspect of the invention and / or by a method according to the third aspect of the invention.
  • FIG. 2 dynamic differential calorimetry measurements of the insulation material according to the invention in comparison to several non-inventive insulation materials
  • FIG. 3 shows a diagram which shows electrical loss factors of insulation materials according to the invention in comparison to several insulation materials not according to the invention as a function of temperature;
  • FIG. 5 shows dynamic differential calorimetry measurements of different insulation materials according to the invention in comparison with an insulation material not according to the invention.
  • FIG. 1 shows a comparison of a partial discharge or erosion characteristic of an insulation material IM1 according to the invention in comparison with two insulation materials nIM1, nIM2 not according to the invention.
  • the eroded volume E v [mm 3 hr 1 10 3 ] is plotted on the y-axis on the left scale and the erosion depth E [mpi / h] on the right scale.
  • the insulation material nIM2 not according to the invention is made from a conventional Micalastic TM impregnation formulation, which contains an approximately equal or approximately stoichiometric mixture of distilled bisphenol A diglycidyl ether as the epoxy base resin of the resin formulation and methyl hexahydrophthalic anhydride as a hardener substance, which is optionally based on the agent formulation
  • Base of tertiary amines and / or organic zinc salts in a vacuum pressure impregnation process as a stator winding of an electrical machine (not shown) is thermally cured to isolate onsmaterial.
  • the non-inventive insulation material nIM1 is made from an impregnation formulation, in the case of the Micalastic TM impregnation formulation 10 %
  • the insulation material IM1 according to the invention is produced from an impregnation formulation which contains a resin formulation of 90% by weight bisphenol A diglycidyl ether as the epoxy base resin and 10% by weight of a cage-like, epoxycycloalkyl-substituted polysilsesquioxane (e.g.
  • methylhexahydrophthalic anhydride 8-12 (S1O 1.5 ) 8 12).
  • An approximately stoichiometric amount of methylhexahydrophthalic anhydride is also used as the hardener formulation.
  • the accelerator used in all three formulations IM, nIM1, nIM2 is the basically optional accelerator benzyldimethylamine with 0.8% by weight based on the total mass of the respective impregnation formulation. Curing takes place in each case for about 10 hours at 145 ° C. with subsequent aging at about 23 ° C. in air at 50% relative humidity. All insulation materials IM, nIMl, nIM2 were electrically aged for 100 h at voltages of 10 kV. The insulation materials IM, nIMl, nIM2 were then scanned by a laser and the respective eroded volume E v and the respective erosion depth E were determined.
  • the electrical aging of the polymer test specimens is based on IEC 60343 (Recommended test methods for determining the relative resistance of insulating materials to breakdown by surface discharges).
  • a rod electrode made of stainless steel rests under its own weight on a test body (thickness 2 mm). If high voltage (here: 10 kV) is applied to the rod electrode for a defined period of time (here: 100 hours), partial discharges occur at the triple point at which the rod electrode lifts off the test object.
  • polysiloxane-containing insulation material nIM1 as well as in comparison to the siloxane-free Micalastic TM insulation material nIM2 does not decrease, but surprisingly even closes.
  • FIG. 2 shows dynamic differential calorimetry measurements DSC [mW / mg] at 10 K / min of the insulation material IM1 according to the invention in comparison with several insulation materials nIM1-nIM6 not according to the invention.
  • the compositions of the impregnation formulations from which the insulation materials IM, nIM1 and nIM2 were produced correspond to those from FIG. 1. The same applies to the curing parameters.
  • the insulation materials nIM3-nIM6 20% by weight (nIM3), 30% by weight (nIM4), 40% by weight (nIM5) and 60% by weight (nIM6) of the epoxy base resin were compared with the insulation material nIM1 Resin formulation exchanged for said polysiloxane.
  • FIG. 3 shows a diagram in this regard which shows the electrical loss factors tan deita of two exemplary embodiments IM1,
  • IM2 of the insulation material according to the invention in comparison with the insulation materials not according to the invention nIM1, nIM2, nIM5 as a function of the temperature T [° C.].
  • the dung OF INVENTION proper insulation material IM2 is prepared from a formulation impregnation, wherein the Harzformulie tion of 10 wt .-% polysilsesquioxane ((epoxycyclohexyl) 8- 12 (SIOI. 5) 8-12) t 40 wt .-% of polysiloxane (1 , 3-bis (3-glycidyl-oxypropyl) tetramethyldisiloxane) and 50% by weight of bisphenol A diglycidyl ether.
  • the ratio of resin formulation to hardener formulation is molar stoichiometric 1: 0.9, the individual impregnation formulations each being benzyldimethylamine as an accelerator with 0.8% by weight based on the Contained total weight of the impregnation formulation.
  • the electrical loss factors tan deita are measured with the following parameters: 3 K / min on test pieces 2 mm thick, field strength of 500 V / mm, 50 Hz, contact pressure 250 g / m 2 according to DIN 50483. The clearly improved temperature curves can be seen the electrical loss factors tan deita of the insulation materials IM1, IM2 according to the invention compared to the insulation materials not according to the invention nIM1, nIM2, nIM5.
  • FIG. 4 shows a diagram which shows the relative permittivities s r of the insulation materials IM1, IM2 according to the invention in comparison with the insulation materials nIM1, nIM2, nIM5 not according to the invention.
  • the relative permittivities s r were measured according to standard DIN 50483 at 3 K / min on plate test pieces 2 mm thick, field strength 500 V / mm,
  • FIG. 5 shows dynamic differential calorimetry measurements DSC [mw / mg] at 10 K / min of different insulation materials IM3-IM6 according to the invention in comparison with the not
  • insulation material according to the invention nIM2.
  • the insulation materials IM3-IM6 according to the invention were produced from impregnation formulations which had the following mixtures as resin formulation:
  • IM3 40% by weight polysiloxane-substituted epoxy resin component (1,3-bis (3-glycidyl-oxypropyl) tetramethyldisiloxane), 10% by weight cycloaliphatic epoxy resin component (3,4- epoxycyclohexylmethyl-3 ', 4' -epoxycyclohexane carboxylate), 50 Wt .-% bisphenol A diglycidyl ether as epoxy base resin;
  • IM4 40% by weight polysiloxane-substituted epoxy resin component (1,3-bis (3-glycidyl-oxypropyl) tetramethyldisiloxane), 20% by weight cycloaliphatic epoxy resin component (3,4-epoxycyclohexylmethyl-3 ', 4' -epoxycyclohexane carboxylate), 40 wt .-% bisphenol A diglycidyl ether as epoxy base resin;
  • IM5 40% by weight polysiloxane-substituted epoxy resin component (1,3-bis (3-glycidyl-oxypropyl) tetramethyldisiloxane), 30% by weight cycloaliphatic epoxy resin component (3,4-epoxycyclohexylmethyl-3 ', 4' -epoxycyclohexane carboxylate), 30 Wt .-% bisphenol A diglycidyl ether as epoxy base resin; and
  • IM6 40% by weight polysiloxane-substituted epoxy resin component (1,3-bis (3-glycidyl-oxypropyl) tetramethyldisiloxane), 40% by weight cycloaliphatic epoxy resin component (3,4-epoxycyclohexylmethyl-3 ', 4' -epoxycyclohexane carboxylate), 20 Wt .-% bisphenol A diglycidyl ether as epoxy base resin.
  • IM3-IM6 was also used as a hardener formulation, methylhexahydrophthalic anhydride, as an example.
  • the accelerator was basically optional
  • Benzyldimethylamine used at 0.8% by weight based on the total mass of the respective impregnation formulation.
  • impregnation formulations according to the invention show significantly increased electrical lifetimes compared to the prior art of the technique.
  • the increase in the erosion resistance is achieved by partial and / or additional substitution of the epoxy resin component with epoxycycloalkyl-modified compounds, in particular with epoxycycloalkyl-modified polysilicon sesquioxanes.
  • the impregnation formulations according to the invention are clear and fluid and can be processed in VPI processes, with gel times identical to conventional impregnation formulations at common processing temperatures and, after curing, form more resilient insulation materials that have significantly higher electrical properties and therefore lifetimes.
  • Organically modified silsesquioxanes are commercially available and highly effective even in comparatively small proportions in order to achieve improved characteristic values. In addition, they allow a fundamentally optional blend with cheaper polysiloxanes.
  • terminally modified polysilsesquioxanes are commercially available, with an epoxycyclohexylethyl-functionalized polysilsesquioxane in particular significantly increasing the glass transition and shifting the increases in the electrical loss factor and the relative permittivity significantly towards higher temperatures.
  • the UV resistance, hydrophobicity and partial discharge resistance are improved. All of these properties allow the manufacture of superior, more resilient and more compact electrical machines.
  • the impregnation formulations according to the invention allow the use of higher field strengths and / or offer higher electrical lifetimes, especially in generators and motors.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Imprägnierformulierung für eine Wickelbandisolierung einer elektrischen Maschine, umfassend eine Harzformulierung mit zumindest einem Epoxidbasisharz und eine Härterformulierung mit zumindest einem Härter, wobei die Harzformulierung mit der Härterformulierung zu einem Isolationsmaterial (IM1-IM6) reagieren kann. Die Harzformulierung umfasst zusätzlich zum Epoxidbasisharz wenigstens eine Komponente mit zumindest einer gesättigten und/oder ungesättigten Epoxycycloalkylgruppe, mittels welcher eine Glasübergangstemperatur des Isolationsmaterials (IM1-IM6) gegenüber einer Imprägnierformulierung ohne die Komponente erhöht ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Isolationsmaterial (IM1-IM6) für eine Wickelbandisolierung einer elektrischen Maschine, ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Isolationsmaterials (IM1-IM6) sowie eine elektrische Maschine, insbesondere Mittel- und/oder Hochspannungsmaschine, mit einem derartigen Isolationsmaterial (IM1-IM6).

Description

Beschreibung
Imprägnierformulierung, Isolationsmaterial, Verfahren zum Herstellen eines Isolationsmaterials und elektrische Maschine mit einem Isolationsmaterial
Die Erfindung betrifft eine Imprägnierformulierung und ein Isolationsmaterial für eine Wickelbandisolierung einer elektrischen Maschine, ein Verfahren zum Herstellen eines Isolationsmaterials sowie eine elektrische Maschine mit einem solchen Isolationsmaterial.
Elektrische Maschinen wie beispielsweise Motoren und Genera toren haben in der Vielzahl ihrer Längsnuten des Ständer blechpakets speziell geartete Spulenwicklungen oder Leiter stäbe, die in der Regel aus Kupfer oder einem anderen, hoch leitfähigen Material bestehen.
Im Falle eines elektrischen Motors wird durch zeitlich selek tive Bestromungen ein ringsum propagierendes Magnetfeld er zeugt, welches den in einer Bohrung des Ständers aufgehängten und frei drehenden Rotor, der z.B. aufgrund einer Vielzahl an applizierten Permanentmagneten auf das induzierte Magnetfeld in Form von erzwungener Rotation reagiert, antreibt und so elektrische Energie in Bewegungsenergie umwandelt. Das Blech paket liegt dabei elektrisch auf Masse, die Spulen hingegen auf hohem Kilovoltpotential. Die in die Statornuten einge passten Spulen müssen demnach gegen das Bezugspotential elektrisch isoliert werden. Dazu wird jede Spule mit einer Wickelbandisolierung versehen, bei der die Spule beispiels weise mit einem speziellen glimmerbasierenden Band (sog.
Glimmerband) mehrfach und definiert überlappend gewickelt und isoliert wird. In der Regel wird Glimmer verwendet, da es als partikel-, insbesondere als plättchenförmiger, anorganischer Barrierewerkstoff die elektrische Erosion unter elektrischen Teilentladungen wirkungsvoll und dauerhaft, vorzugsweise über die gesamte Lebensdauer der Maschine oder des Generators, zu retardieren vermag und gute chemische sowie thermische Be- ständigkeit aufweist. Glimmerbänder bestehen aus Glimmerpa pier und einem oder mehreren Trägern, z.B. Gewebe, Folie (n) , die über einen Bandkleber miteinander verbunden sind. Glim merbänder sind nötig, da Glimmerpapier alleine normalerweise nicht die für einen Isolationsprozess nötige mechanische Fes tigkeit aufweist. Je nach Anwendung können dem Bandkleber weitere Additive zugegeben sein, z.B. Initiatoren bzw. Be schleunigersubstanzen, die initiierend auf die Härtung einer aufgebrachten Imprägniertormulierung zu einem festen Isolati onsmaterial wirken. Da der Abstand von bestromter, isolierter Spule zum Ständerblechpaket in der Regel so klein wie möglich gehalten wird, sind dort Feldstärken von mehreren kV/mm keine Seltenheit. Dementsprechend stark wird das Isolationsmaterial beansprucht .
Um diesem Umstand Rechnung zu tragen, werden inzwischen teil weise Imprägniertormulierungen verwendet, die als Harzformu lierung ein oder mehrere Epoxidbasisharze sowie ein oder meh rere kovalent copolymerisierbare Polysiloxane umfassen, wel che mit einer Härterformulierung zu einer Polymerstruktur im Isolationsmaterial reagiert, die selbst unter sehr starker elektrischer Teilentladungsbelastung praktisch nicht oder nur noch langsam degradiert. Durch Verwendung von polysiloxanhal tigen Imprägniertormulierungen ist es demnach möglich, Isola tionsmaterialien in elektrischen Maschinen mit etablierten Verfahren bei gängigen Verarbeitungstemperaturen herzustel len, wobei die Isolationsmaterialien deutlich bessere elekt rische Eigenschaften im Vergleich zu polysiloxanfreien Isola tionsmaterialien besitzen.
Mit steigendem Gehalt an Polysiloxan in einer modifizierten Epoxidharzmischung sinkt allerdings die Glasübergangstempera- tur bzw. der Glasübergangstemperaturbereich, da organische Polysiloxane aufgrund ihrer chemischen Struktur - ähnlich ty pischen Flexibilisatoradditiven - zu abnehmenden Glasüber gangstemperaturen in ansonsten flexibilisatorfreien Epoxidba sisharzen führen. Je nach Anwendungsfall kann somit zwar die Erosionsresistenz gegen Teilentladungen durch entsprechend hohe Polysiloxanadditivgehalte erhöht werden, gleichzeitig nimmt aber die Glasübergangstemperatur des Isolationswerk stoffs so stark ab, dass schon erhöhte Betriebstemperaturen elektrischer Maschinen, die mit derartigen Isolationsmateria lien versehen sind, ausreichen, um die Glasübergangstempera- tur der Isolation kurzzeitig oder dauerhaft zu überschreiten, was zur Degradation der Isolation, zu erhöhten elektrischen Verlusten sowie zu verschlechterten mechanischen Eigenschaf ten und verkürzten Lebensdauern der elektrischen Maschine führt .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Imprägnier formulierung anzugeben, die die Herstellung eines Isolations materials erlaubt, das auch bei höheren Betriebstemperaturen einer zugeordneten elektrischen Maschine eine verbesserte elektrische und mechanische Beständigkeit besitzt. Weitere Aufgaben der Erfindung bestehen darin, ein Isolationsmaterial mit einer verbesserten elektrischen und mechanischen Bestän digkeit, ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Isolati onsmaterials sowie eine elektrische Maschine mit einem derar tigen Isolationsmaterial bereitzustellen.
Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine Imprägnierfor- mulierung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Isolationsmaterial mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12, durch ein Verfahren gemäß Anspruch 13 zum Herstellen eines Isolationsmaterials sowie durch eine elektrische Maschine ge mäß Patentanspruch 15 gelöst. Vorteil-hafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Aus gestaltungen jedes Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausge staltungen der jeweils anderen Erfindungsaspekte anzusehen sind .
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Imprägnierfor- mulierung für eine Wickelbandisolierung einer elektrischen Maschine, umfassend eine Harzformulierung mit zumindest einem Epoxidbasisharz und eine Härterformulierung mit zumindest ei- nem Härter, wobei die Harzformulierung mit der Härterformu lierung zu einem Isolationsmaterial reagieren kann. Eine ver besserte elektrische und mechanische Beständigkeit wird er findungsgemäß dadurch ermöglicht, dass die Harzformulierung zusätzlich zum Epoxidbasisharz wenigstens eine Komponente mit zumindest einer gesättigten und/oder ungesättigten Epoxycyc- loalkylgruppe umfasst, mittels welcher eine Glasübergangstem- peratur des Isolationsmaterials gegenüber einer Imprägnier formulierung ohne die Komponente erhöht ist. Mit anderen Wor ten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Harzformulie rung mindestens zwei Bestandteile enthält, nämlich ein Epo xidbasisharz und eine Komponente, die eine oder mehrere Epo- xycycloalkylgruppen aufweist, wobei jede der Epoxycycloal- kylgruppen gesättigt oder ein- oder mehrfach ungesättigt sein kann. Ungesättigte Epoxycycloalkylgruppen können auch als Epoxycycloalkenylgruppen bezeichnet werden. Die cycloalipha- tische (n) Epoxidfunktionalität ( en) der Komponente ist bzw. sind sterisch sehr anspruchsvoll und weist bzw. weisen einen hohen Raumbedarf aufgrund der nicht-planaren cycloaliphati- schen Ringstruktur auf. Daher führt der Einbau dieser Struk tur (en) in das polymere Netzwerk des ausgehärteten Isolati onsmaterials im Vergleich zu einer Imprägniertormulierung, welche die wenigstens eine Komponente nicht enthält, ansons ten aber gleich zusammengesetzt ist, zu höheren Glasüber gangstemperaturen bei gleichzeitig erhöhter elektrischer Be ständigkeit des ausgehärteten Isolationsmaterials. Der Glas übergang erfolgt in der Regel nicht bei einem scharfen Tempe raturwert, sondern in einem Glasübergangstemperaturbereich . Als Glasübergangstemperatur wird in einem solchen Fall der mittlere Temperaturwert des Glasübergangstemperaturbereichs verwendet. Das molar-stöchiometrische Verhältnis von Harzfor mulierung zu Härterformulierung kann nach Bedarf eingestellt werden, wobei üblicherweise ein Verhältnis von etwa 1:0,9 bis etwa 1:1 verwendet wird. Generell sind „ein/eine" im Rahmen dieser Offenbarung als unbestimmte Artikel zu lesen, also oh ne ausdrücklich gegenteilige Angabe immer auch als „mindes tens ein/mindestens eine". Umgekehrt können „ein/eine" auch als „nur ein/nur eine" verstanden werden. Entsprechend kann der Begriff „umfassen" generell so verstanden werden, dass neben den genannten Elementen weitere Elemente vorhanden sein können. Umgekehrt kann der Begriff „umfassen" generell aber auch im Sinne von „bestehen aus" verstanden werden, das heißt dass neben den genannten Elementen keine weiteren Elemente vorhanden sein dürfen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Komponente mindestens 2 und vorzugsweise zwischen 8 und 12 gesättigte und/oder ungesättigte Epoxycycloalkylgruppen . Mit anderen Worten weist die Komponente mehrere gesättigte und/oder ungesättigte Epoxycycloalkylgruppen, nämlich bei spielsweise 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 oder mehr auf. Hierdurch kann die Komponente als multifunktioneller Vernet zer mit einstellbarem Raumbedarf verwendet werden, wodurch die Glasübergangstemperatur des ausgehärteten Isolationsmate rials besonders präzise einstellbar ist. Alternativ oder zu sätzlich ist es vorgesehen, dass die wenigstens eine Epo- xycycloalkylgruppe über einen Spacer an ein Strukturelement der Komponente gebunden ist. Der Spacer kann beispielsweise ein Ci-Ci2-Alkylrest sein und generell an jeder geeigneten Po sition der Cycloalkylgruppe angebunden sein. Dies ermöglicht ebenfalls eine besonders präzise Einstellung der Glasüber gangstemperatur und erleichtert im Einzelfall die Anordnung mehrerer Epoxycycloalkylgruppen am Strukturelement der Kompo nente .
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Epoxycycloalkylgrup- pe ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Epoxy-C3-C8- Cycloalklygruppen umfasst. Mit anderen Worten kann die we nigstens eine Epoxycycloalkylgruppe eine Epoxycyclopropyl- , Epoxycyclobutyl- , Epoxycyclopentyl- , Epoxycyclohexyl- , Epo- xycycloheptyl- oder Epoxycyclooctylgruppe sein. Auch hier durch kann der Raumbedarf der Komponente und damit die Glas übergangstemperatur des ausgehärteten Isolationsmaterials be sonders präzise eingestellt werden. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Komponente wenigstens ein Epoxycyc- loalkylgruppen-haltiges Polysilsesquioxan umfasst. Polysil- sesquioxane sind Siliziumharze, die unter Verwendung trifunk- tionaler Organosilanverbindungen synthetisiert werden können und ein organisch-anorganisches Hybridmaterial darstellen, das die anorganischen Eigenschaften der Siloxanbindung (Si-O- Si), die die Hauptkette bildet, und die organischen Eigen schaften der organischen Funktionsgruppe, die die Seitenket tein) bildet bzw. bilden, kombiniert. Dieser molekulare, bei Raumtemperatur "flüssige Sand", der üblicherweise Partikel durchmesser <1 nm besitzt, kann generell mit einer oder meh reren Epoxycycloalkylfunktionalitäten modifiziert werden, wo bei jede Epoxycycloalkylgruppe gegebenenfalls über einen Spa cer wie etwa eine Methyl-, Ethyl-, Propylgruppe etc. an ein Siliziumatom als Strukturelement des Polysilsesquioxans ge bunden sein kann. Hierdurch weisen derartige Polysilsesquio- xan-Derivate einerseits eine gute Löslichkeit in Epoxidharzen auf, andererseits sind ihre UV-Stabilität sowie Hydrophobizi- tät vorteilhaft erhöht. Die cycloaliphatischen Epoxyfunktio- nalität(en) dieser Hybridmoleküle können beispielsweise mit einem anhydridhaltigen Basis-Epoxidharz copolymerisieren und werden so vollständig und hochdispers im resultierenden Iso lationsmaterial eingebaut. Die cycloaliphatische (n) Epoxid funktionalität ( en) weist bzw. weisen die bereits erwähnte ho he Sterik aufgrund der nicht-aromatischen Ringstruktur ( en) auf und führen bei Einbau der Komponente in das polymere Netzwerk zu höheren Glasübergangstemperaturen . Da das Rück grat dieser als Additive dienenden Polysilsesquioxan-Derivate aus einem ( Poly) Oligosiloxan besteht — also organischmodifi ziertes Silizum, das beispielsweise gemäß der Formel (Epo- xycyclohexylethyl) 8-12 (SiOi.5) 8-12 bereits 1,5-fach oxidiert vorliegt — ist die Stufe zum vollständig oxidierten und quasi organisch eingebetteten Siliziumdioxid durch Teilentladungs beschuss im Betrieb einer zugeordneten elektrischen Maschine sehr schnell erreicht, sodass diese Polysilsesquioxan- Derivate im erfindungsgemäßen Isolationsmaterial unter elektrischer Belastung in-situ in ein hochaktives Anti- Erosionsadditiv umgewandelt werden. Die genannten Polysil- sesquioxan-Derivate weisen zudem weitere vorteilhafte Eigen schaften wie Transparenz, Hitzebeständigkeit, Härte, elektri sche Widerstandsfähigkeit, Dimensionsstabilität (geringe Wär meausdehnung) und Flammschutzverhalten auf. Neben einer oder mehreren cycloaliphatischen Epoxyfunktionalität ( en) können grundsätzlich eine oder mehrere abweichende Funktionsgruppen vorgesehen sein, über welche weitere Eigenschaften wie Kompa tibilität mit dem Epoxidbasisharz und/oder der Härterformu lierung, Dispersionsstabilität, Lagerstabilität, Bruchfaktor sowie Reaktivität eingestellt werden können.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem das wenigstens eine Epo- xycycloalkylgruppen-haltige Polysilsesquioxan eine zufällige Struktur, eine Leiterstruktur oder eine Käfigstruktur be sitzt. Hierdurch kann gezielt Einfluss auf die resultierende Glasübergangstemperatur des Isolationsmaterials genommen wer den. Beispielsweise kann das Epoxycycloalkylgruppen-haltige Polysilsesquioxan eine Käfigstruktur mit 6, 8, 10 oder 12 Si-
Vertices aufweisen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Komponente ein cycloaliphatisches Epoxidharz, insbesondere 3 , 4-Epoxycyclohexylmethyl-3 , 4 epoxycyclohexancarboxylat, umfasst oder ist. Auch dies stellt ein vorteilhaftes Glasübergangsmodifizierungsmittel dar, mit tels welchem die Glasübergangstemperatur des ausgehärteten Isolationsmaterials vorteilhaft gesteigert werden kann.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem die Harzformulierung zu sätzlich wenigstens ein Polysiloxan, insbesondere ein Digly- cidylether-terminiertes Poly (dialkylsiloxan) und/oder ein Diglycidylether-terminiertes Poly (phenylsiloxan) , umfasst. Polysiloxane können wie Polysilsesquioxane im ausgehärteten Isolationsmaterial ein -SiR2-0-Rückgrat bilden. Dabei steht „R" für alle Arten organischer Reste, die sich zur Härtung bzw. Vernetzung zu einem Isolationsmaterial eignen. Insbeson dere steht R für -Aryl, -Alkyl, -Heterocyclen, Stickstoff, Sauerstoff und/oder Schwefel substituierte Aryle und/oder Al kyle. Insbesondere kann jedes R gleich oder ungleich gewählt sein und generell für folgende Gruppen stehen:
- Alkyl, beispielsweise -Methyl, -Propyl, -isoPropyl, -Butyl, -isoButyl, -tertButyl, -Pentyl, -isoPentyl, -Cyclopentyl so wie alle weiteren Analoge bis zu Dodecyl, also das Homologe mit 12 C-Atomen;
- Aryl, beispielsweise: Benzyl-, Benzoyl-, Biphenyl-, Toluyl- , Xylole etc., insbesondere beispielsweise alle Arylreste, deren Aufbau der Definition von Hückel für die Aromatizität entspricht
- Heterozyklen: insbesondere schwefelhaltige Heterozyklen wie Thiophen, Tetrahydrothiophen, 1,4-Thioxan und Homologe und/oder Derivate davon,
- Sauerstoffhaltige Heterozyklen wie z.B. Dioxane, - stick stoffhaltige Heterozyklen wie z.B. -CN, -CNO,-CNS, -N3 (Azid) etc .
- Schwefel substituierte Aryle und/oder Alkyle: z.B. Thio phen, aber auch Thiole.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Epoxidbasisharz ausgewählt ist aus einer Gruppe, die phthalsäureanhydridderivathaltige Epoxid harze und phthalsäureanhydridderivatfreie Epoxidharze, insbe sondere Bisphenol-A-Diglycidylether (BADGE) , Bisphenol-F- Diglycidylether (BFDGE) , Epoxy-Novolak, Epoxy-Phenol-Novolak, Epoxy-Polyurethane oder eine beliebige Mischung hieraus um fasst. Beispielsweise kann das Epoxidbasisharz undestillier- ter und/oder destillierter, ggf. reaktivverdünnter Bisphenol- A-Diglycidylether, undestillierter und/oder destillierter, ggf. reaktivverdünnter Bisphenol-F-Diglycidylether, hydrier ter Bisphenol-A-Diglycidylether und/oder hydrierter Bi- sphenol-F-Diglycidylether, reiner und/oder mit Lösemitteln verdünnter Epoxy-Novolak und/oder Epoxy-Phenol-Novolak, cyc- loaliphatische 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; Cel- loxide 2000, 2- (3, 4-epoxycyclohexyl-5, 5-spiro-3, 4-epoxy) - cyclohexan-meta-dioxan z.B. ERL-4234; Hexahydrophthalsäure- diglycidylester, z.B. CY184, EPalloy 5200; Tetrahydrophthal- säurediglycidylether z.B. CY192; glycidierte Aminoharze (N,N- Diglycidylpara-glycidyloxyanilin z.B. MY0500, MY0510, N,N- Diglycidylmeta-glycidyloxyanilin z.B. MY0600, MY0610,
N, N, N ' , N ' -Tetraglycidyl-4 , 4 ' -methylendianilin z.B. MY720, MY721, MY725, sowie beliebiger Mischungen der vorgenannten Verbindungen sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Härterformulierung ausgewählt ist aus einer Gruppe, die kationische und anionische Härtungska talysatoren, Amine, Säureanhydride, insbesondere Methylhexa- hydrophthalsäureanhydrid, Siloxan-basierte Härter, oxiran- gruppenhaltige Härter, insbesondere Glycidylether, Supersäu ren, Epoxy-funktionalisierte Härter oder eine beliebige Mi schung hieraus umfasst, und/oder dass die Härterformulierung wenigstens eine Beschleunigersubstanz, insbesondere ein ter tiäres Amin und/oder ein organisches Zinksalz, umfasst. Bei spielsweise kann die Härterformulierung organische Salze, wie organische Ammonium-, Sulphonium-, Iodonium-, Phosphonium- und/oder Imidazolium-salze und Amine, wie tertiäre Amine, Py- razole und/oder Imidazol-Verbindungen umfassen. Beispielhaft genannt sei hier 4 , 5-Dihydroxymethyl-2-phenylimidazol und/oder 2-Phenyl-4-methyl-5-hydroxymethylimidazol .
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Harzformulierung Verbindungen, die ein -CR2- Rückgrat bilden, einen Anteil von mindestens 10 Gew.-%, also beispielsweise von 10 %, 11 %, 12 %, 13 %,
14 %, 15 %, 16 %, 17 %, 18 %, 19 %, 20 %, 21 %, 22 %, 23 %,
24 %, 25 %, 26 %, 27 %, 28 %, 29 %, 30 %, 31 %, 32 %, 33 %,
34 %, 35 %, 36 %, 37 %, 38 %, 39 %, 40 %, 41 %, 42 %, 43 %,
44 %, 45 %, 46 %, 47 %, 48 %, 49 %, 50 %, 51 %, 52 %, 53 %,
54 %, 55 %, 56 %, 57 %, 58 %, 59 %, 60 %, 61 %, 62 %, 63 %,
64 %, 65 %, 66 %, 67 %, 68 %, 69 %, 70 %, 71 %, 72 %, 73 %,
74 %, 75 %, 76 %, 77 %, 78 %, 79 %, 80 %, 81 %, 82 %, 83 %, 84 %, 85 %, 86 %, 87 %, 88 %, 89 %, 90 %, 91 %, 92 %, 93 %,
94 %, 95 %, 96 %, 97 %, 98 % oder 99 % aufweisen. Prozentuale Angaben sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung grund sätzlich als Gewichtsprozente zu verstehen, sofern nichts an deres angegeben ist. Alternativ oder zusätzlich ist es vorge sehen, dass Verbindungen, die ein -SiR2-0-Rückgrat ausbilden, wobei R unabhängig voneinander aus den vorstehend genannten organischen Resten ausgewählt ist, einen Anteil von mindes tens 5 Gew.-%, also beispielsweise von 5 %, 6 %, 7 %, 8 %,
9 %, 10 %, 11 %, 12 %, 13 %, 14 %, 15 %, 16 %, 17 %, 18 %,
19 %, 20 %, 21 %, 22 %, 23 %, 24 %, 25 %, 26 %, 27 %, 28 %,
29 %, 30 %, 31 %, 32 %, 33 %, 34 %, 35 %, 36 %, 37 %, 38 %,
39 %, 40 %, 41 %, 42 %, 43 %, 44 %, 45 %, 46 %, 47 %, 48 %,
49 %, 50 %, 51 %, 52 %, 53 %, 54 %, 55 %, 56 %, 57 %, 58 %,
59 %, 60 %, 61 %, 62 %, 63 %, 64 %, 65 %, 66 %, 67 %, 68 %,
69 %, 70 %, 71 %, 72 %, 73 %, 74 %, 75 %, 76 %, 77 %, 78 %,
79 %, 80 %, 81 %, 82 %, 83 %, 84 %, 85 %, 86 %, 87 %, 88 %,
89 %, 90 %, 91 %, 92 %, 93 %, 94 %, 95 %, 96 %, 97 %, 98 % oder 99 % aufweisen. Es versteht sich, dass sich die Stoff mengenanteile aller Verbindungen der Harzformulierung immer und ausschließlich zu 100 Gew.-% ergänzen. Gleiches gilt selbstverständlich auch für die Härterformulierung . Hierdurch können die chemischen, mechanischen und thermischen Eigen schaften des resultierenden Isolationsmaterials optimal an den jeweiligen Anwendungszweck angepasst werden.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem ein Anteil der wenigs tens einen Komponente an der Harzformulierung mindestens 1 Gew.-%, also beispielsweise 1 %, 2 %, 3 %, 4 %, 5 %, 6 %,
7 % , 8 % , 9 % , 10 %, 11 %, 12 %, 13 %, 14 %, 15 %, 16 %,
17 %, 18 %, 19 %, 20 %, 21 %, 22 %, 23 %, 24 %, 25 %, 26 %,
27 %, 28 %, 29 %, 30 %, 31 %, 32 %, 33 %, 34 %, 35 %, 36 %,
37 %, 38 %, 39 %, 40 %, 41 %, 42 %, 43 %, 44 %, 45 %, 46 %,
47 %, 48 %, 49 %, 50 %, 51 %, 52 %, 53 %, 54 %, 55 %, 56 %,
57 %, 58 %, 59 %, 60 %, 61 %, 62 %, 63 %, 64 %, 65 %, 66 %,
67 %, 68 %, 69 %, 70 %, 71 %, 72 %, 73 %, 74 %, 75 %, 76 %,
77 %, 78 %, 79 %, 80 %, 81 %, 82 %, 83 %, 84 %, 85 %, 86 %,
87 %, 88 %, 89 %, 90 %, 91 %, 92 %, 93 %, 94 %, 95 %, 96 %, 97 %, 98 % oder 99 %, und/oder höchstens 95 % beträgt. Hier durch können neben der Glasübergangstemperatur auch die che mischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften des re sultierenden Isolationsmaterials optimal an den jeweiligen Anwendungszweck angepasst werden.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Isolationsmate rial für eine Wickelbandisolierung einer elektrischen Maschi ne, wobei das Isolationsmaterial erfindungsgemäß erhältlich und/oder erhalten aus einer Imprägniertormulierung gemäß dem ersten Erfindungsaspekt ist, wobei das Isolationsmaterial ei ne Glasübergangstemperatur von mindestens 90 °C besitzt.
Hierdurch besitzt das Isolationsmaterial aufgrund der in das Polymergerüst eingebauten Komponente mit zumindest einer ge sättigten und/oder ungesättigten Epoxycycloalkylgruppe gegen über einem Isolationsmaterial, das ansonsten gleich aber ohne die Komponente hergestellt ist, eine höhere Glasübergangstem- peratur und damit auch bei höheren Betriebstemperaturen einer zugeordneten elektrischen Maschine eine verbesserte elektri- sehe und mechanische Beständigkeit. Unter einer Glasüber gangstemperatur von mindestens 90 °C sind beispielsweise
Glasübergangstemperaturen von 90 °C, 91 °C, 92 °C, 93 °C,
94 °C, 95 °C, 96 °C, 97 °C, 98 C, 99 ° C, 100 °C, 101 °C,
102 °C, 103 °C, 104 °C, 105 °C, 106 °C, 107 °C, 108 °C, 109 °C, 110 °C, 111 °C, 112 °C, 113 °C, 114 °C, 115 °C, 116 °C, 117 °C, 118 °C, 119 °C, 120 °C, 121 °C, 122 °C, 123 °C, 124 °C, 125 °C, 126 °C, 127 °C, 128 °C, 129 °C, 130 °C, 131 °C, 132 °C, 133 °C, 134 °C, 135 °C, 136 °C, 137 °C, 138 °C, 139 °C, 140 °C, 141 °C, 142 °C, 143 °C, 144 °C, 145 °C, 146 °C, 147 °C, 148 °C, 149 °C, 150 °C, 151 °C, 152 °C, 153 °C, 154 °C, 155 °C, 156 °C, 157 °C, 158 °C, 159 °C, 160 °C, 161 °C, 162 °C, 163 °C, 164 °C, 165 °C, 166 °C, 167 °C, 168 °C, 169 °C, 170 °C, 171 °C, 172 °C, 173 °C, 174 °C, 175 °C, 176 °C, 177 °C, 178 °C, 179 °C, 180 °C, 181 °C, 182 °C, 183 °C, 184 °C, 185 °C, 186 °C, 187 °C, 188 °C, 189 °C, 190 °c oder mehr zu verste- hen . Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Isolationsmaterials für eine Wickelbandiso lierung einer elektrischen Maschine, bei welchem eine Impräg nierformulierung gemäß dem ersten Erfindungsaspekt bereitge stellt und die Harzformulierung und Härterformulierung der Imprägnierformulierung miteinander zur Reaktion gebracht wer den und zum Isolationsmaterial härten, wobei das Isolations material eine Glasübergangstemperatur von mindestens 90 °C besitzt. Hierdurch können eine höhere Glasübergangstemperatur des Isolationsmaterials und damit auch eine verbesserte elektrische und mechanische Beständigkeit bei höheren Be triebstemperaturen der elektrischen Maschine sichergestellt werden. Weitere Merkmale und deren Vorteile sind den Be schreibungen des ersten und zweiten Erfindungsaspekts zu ent nehmen .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorge sehen, dass wenigstens ein Element aus der Gruppe Trägermate rialien, Barrierewerkstoffe und Bandkleber mit der Impräg nierformulierung durchtränkt und das Isolationsmaterial durch ein Vakuum-Druck-Imprägnierverfahren hergestellt wird. Durch die Imprägnierung werden die im Trägermaterial, beispielswei se Glimmerpapier, zwischen den einzelnen Partikeln und/oder Bandfalten befindliche Hohlräume mit der Isolationsformulie rung gefüllt. Der Verbund aus Imprägnierformulierung und Trä germaterial wird gehärtet und bildet das feste Isolationsma terial, das dann die mechanische Festigkeit des Isolations systems liefert. Die elektrische Festigkeit ergibt sich aus der Vielzahl der Feststoff-Feststoff-Grenzflächen . Durch das Vakuum-Druck-Imprägnierverfahren (VPI-Prozess ) können auch kleinste Hohlräume in der Isolierung der Isolationsformulie rung ausgefüllt werden, wodurch die Anzahl innerer Gas- Feststoff-Grenzflächen minimiert wird und Teilentladungen während des späteren Betriebs der elektrischen Maschine ver hindert werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere eine Mittel- und/oder Hochspannungsma- schine, welche erfindungsgemäß ein Isolationsmaterial, wel ches gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt ausgebildet und/oder durch eine Imprägniertormulierung gemäß dem ersten Erfin dungsaspekt und/oder durch ein Verfahren gemäß dem dritten Erfindungsaspekt erhältlich und/oder erhalten ist. Die sich hieraus ergebenden Merkmale und deren Vorteile sind den Be schreibungen der entsprechenden Erfindungsaspekte zu entneh men .
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:
FIG 1 einen Vergleich einer Teilentladungs- bzw. Erosi onscharakteristik eines erfindungsgemäßen Isolati onsmaterials im Vergleich zu zwei nicht
erfindungsgemäßen Isolationsmaterialen;
FIG 2 dynamische Differenz-Kalorimetriemessungen des er findungsgemäßen Isolationsmaterials im Vergleich zu mehreren nicht-erfindungsgemäßen Isolationsmateria len;
FIG 3 ein Diagramm, welches elektrische Verlustfaktoren erfindungsgemäßer Isolationsmaterialien im Ver gleich zu mehreren nicht-erfindungsgemäßen Isolati onsmaterialen als Funktion der Temperatur dar stellt;
FIG 4 ein Diagramm, welches relative Permittivitäten der erfindungsgemäßen Isolationsmaterialien im Ver gleich zu mehreren nicht-erfindungsgemäßen Isolati onsmaterialen darstellt; und
FIG 5 dynamische Differenz-Kalorimetriemessungen unter schiedlicher erfindungsgemäßer Isolationsmateria lien im Vergleich zu einem nicht-erfindungsgemäßen Isolationsmaterial .
FIG 1 zeigt einen Vergleich einer Teilentladungs- bzw. Erosi onscharakteristik eines erfindungsgemäßen Isolationsmaterials IM1 im Vergleich zu zwei nicht-erfindungsgemäßen Isolations materialen nIMl, nIM2. Auf der y-Achse sind in der linken Skala das erodierte Volumen Ev [mm3 hr1 103] und in der rech ten Skala die Erosionstiefe E [mpi/h] aufgetragen. Das nicht erfindungsgemäße Isolationsmaterial nIM2 wird aus einer kon ventionellen Micalastic™-Imprägnierformulierung hergestellt, welche eine ungefähr massegleiche bzw. etwa stöchiometrische Mischung aus destilliertem Bisphenol-A-Diglycidylether als Epoxidbasisharz der Harzformulierung und Methylhexahydroph- thalsäureanhydrid als Härterformulierung enhält, die mittels grundsätzlich optionaler Beschleunigersubstanzen auf Basis von tertiären Aminen und/oder organischen Zinksalzen in einem Vakuum-Druck-Imprägnierprozess als Statorwicklung einer elektrischen Maschine (nicht gezeigt) thermisch zum Isolati onsmaterial ausgehärtet wird. Das nicht-erfindungsgemäße Iso lationsmaterial nIMl wird aus einer Imprägniertormulierung, bei der im Vergleich Micalastic™-Imprägnierformulierung 10 Gew.-% des Epoxidbasisharzes der Harzformulierung durch ein Polysiloxan ( 1 , 3-Bis ( 3-glycidyl- oxypropyl ) tetramethyldisiloxan) ersetzt wird. Das erfindungs gemäße Isolationsmaterial IM1 wird aus einer Imprägniertormu- lierung herstellt, die eine Harzformulierung aus 90 Gew.-% Bisphenol-A-Diglycidylether als Epoxidbasisharz und 10 Gew.-% eines käfigstrukturförmigen, Epoxycycloalkyl-substituierten Polysilsesquioxans (z. B. (Epoxycyclohexyl ) 8-12 (S1O1.5) 8 12) enthält. Als Härterformulierung wird ebenfalls eine in etwa stöchiometrische Menge Methylhexahydrophthalsäureanhydrid verwendet. Als Beschleuniger wird in allen drei Formulierun gen IM, nIMl, nIM2 der grundsätzlich optionale Beschleuniger Benzyldimethylamin mit 0,8 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmasse der jeweiligen Imprägniertormulierung verwendet. Die Härtung erfolgt jeweils für etwa 10 h bei 145 °C mit einer anschlie ßenden Auslagerung bei etwa 23 °C in Luft bei 50% relativer Luftfeuchtigkeit. Alle Isolationsmaterialien IM, nIMl, nIM2 wurden für 100 h bei Spannungen von 10 kV elektrisch geal tert. Anschließend wurden die Isolationsmaterialien IM, nIMl, nIM2 durch einen Laser abgetastet und so das jeweilige ero dierte Volumen Ev und die jeweilige Erosionstiefe E ermit telt.
Die elektrische Alterung der polymeren Prüfkörper erfolgt in Anlehnung an die IEC 60343 (Recommended test methods for de- termining the relative resistance of insulating materials to breakdown by surface discharges) . Bei der sogenannten Toe- pler-Anordnung liegt eine aus Edelstahl gefertigte Stabelekt rode (Durchmesser 6 mm / Kantenradius 1 mm) unter Eigenge wicht auf einem Prüfkörper (Dicke 2 mm) auf. Wird an die Sta belektrode über eine definierte Zeitdauer (hier: 100 Stunden) Hochspannung (hier: 10 kV) angelegt, kommt es im Tripel- Punkt, an dem sich die Stabelektrode vom Prüfkörper abhebt, zur Entstehung von Teilentladungen. Diese verursachen eine radial-symmetrische Volumenschädigung des Prüfkörpers um die Stabelektrode herum, welche im Anschluss per Lasertriangula tion vermessen wird, um die Erosionstiefe E sowie das ero dierte Volumen Ev zu ermitteln. Mittels dieser Kennwerte lässt sich eine Aussage bezüglich der Teilentladungsresistenz der verschieden Prüfkörper treffen.
Man erkennt, dass bereits die erfindungsgemäße Substitution von 10 Gew.-% des Epoxidbasisharzanteils einer herkömmlichen Micalastic™-Imprägnierformulierung durch ein Epoxycyclohexyl- modifiziertes Polysilsesquioxan (entsprechend 5 Gew.-% im festen Isolationsmaterial IM) die gleiche bzw. sogar eine leicht verbesserte Erosionsresistenz als die Substitution mit 10 Gew.-% eines Polysiloxans bietet. Gleichzeitig nimmt aber die Glasübergangstemperatur des erfindungsgemäßen Isolations materials IM1 sowohl im Vergleich zum nicht
erfindungsgemäßen, polysiloxanhaltigen Isolationsmaterial nIMl als auch im Vergleich zum siloxanfreien Micalastic™- Isolationsmaterial nIM2 nicht ab, sondern überraschenderweise sogar zu.
FIG 2 zeigt hierzu dynamische Differenz-Kalorimetriemessungen DSC [mW/mg] bei 10 K/min des erfindungsgemäßen Isolationsma terials IM1 im Vergleich zu mehreren nicht-erfindungsgemäßen Isolationsmaterialen nIMl-nIM6. Die Zusammensetzungen der Im prägnierformulierungen, aus denen die Isolationsmaterialien IM, nIMl und nIM2 hergestellt wurden, entsprechen denjenigen aus FIG 1. Gleiches gilt für die Aushärtungsparameter. In den Isolationsmaterialien nIM3-nIM6 wurden gegenüber dem Isolati onsmaterial nIMl 20 Gew.-% (nIM3), 30 Gew.-% (nIM4), 40 Gew.- % (nIM5) und 60 Gew.-% (nIM6) des Epoxidbasisharzes der Harz formulierung gegen das genannte Polysiloxan ausgetauscht. Man erkennt an den Temperaturverläufen T [°C], dass mit steigen dem Polysiloxan-Anteil die Glasübergangstemperaturen, die je weils im Mittelpunkt der Glasübergangstemperaturbereiche er mittelt werden, von ursprünglich 138,1 °C (nIM2) auf 65,7 °C (nIM6) sinken. Demgegenüber führt die Verwendung der erfin dungsgemäßen Imprägnierformulierung mit dem Epoxycycloal- kylgruppen-haltigen Polysilsesquioxan als Komponente der Harzformulierung zu einer Erhöhung der Glasübergangstempera- tur des Isolationsmaterials IM1 auf 144,3 °C. Erstaunlicherweise und für den Fachmann nicht vorhersagbar sind bei den erfindungsgemäßen Imprägnierformulierung bzw. den daraus hergestellten erfindungsgemäßen Isolationsmateria lien auch dielektrische Kennwerte wie elektrischer Verlust faktor tandeita (vgl. FIG 3) und relative Permittivität sr (vgl. FIG 4) vorteilhaft verbessert.
FIG 3 zeigt hierzu ein Diagramm, welches die elektrischen Verlustfaktoren tandeita von zwei Ausführungsbeispielen IM1,
IM2 des erfindungsgemäßen Isolationsmaterials im Vergleich zu den nicht-erfindungsgemäßen Isolationsmaterialen nIMl, nIM2, nIM5 als Funktion der Temperatur T [°C] darstellt. Das erfin dungsgemäße Isolationsmaterial IM2 wird aus einer Imprägnier formulierung hergestellt, bei welcher sich die Harzformulie rung aus 10 Gew.-% Polysilsesquioxan ( (Epoxycyclohexyl ) 8- 12 (SiOi.5) 8-12) t 40 Gew.-% Polysiloxan (1,3-Bis(3- glycidyl-oxypropyl ) tetramethyldisiloxan) und 50 Gew.-% Bi- sphenol-A-Diglycidylether zusammensetzt. Bei allen gezeigten Isolationsmaterialien IM1, IM2, nIMl, nIM2, nIM5 ist das Ver hältnis von Harzformulierung zu Härterformulierung molar stöchiometrisch 1:0,9, wobei die einzelnen Imprägnierformu- lierungen jeweils Benzyldimethylamin als Beschleuniger mit 0,8 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Imprägnierformu lierung enthielten. Die elektrischen Verlustfaktoren tandeita werden mit folgenden Parametern gemessen: 3 K/min an Platten prüflingen der Dicke 2 mm, Feldstärke von 500 V/mm, 50 Hz, Anpressdruck 250 g/m2 nach Norm DIN 50483. Man erkennt die deutlich verbesserten Temperaturverläufe der elektrischen Verlustfaktoren tandeita der erfindungsgemäßen Isolationsmate rialien IM1, IM2 gegenüber den nicht-erfindungsgemäßen Isola tionsmaterialien nIMl, nIM2, nIM5.
FIG 4 zeigt ein Diagramm, welches die relativen Permittivitä- ten sr der erfindungsgemäßen Isolationsmaterialien IM1, IM2 im Vergleich zu den nicht-erfindungsgemäßen Isolationsmateri alen nIMl, nIM2, nIM5 darstellt. Die relativen Permittivitä- ten sr wurden dabei nach Norm DIN 50483 gemessen mit 3 K/min an Plattenprüflingen der Dicke 2 mm, Feldstärke 500 V/mm,
50 Hz und Anpressdruck 250 g/m2.
An tubulären Prüfkörpern (nicht gezeigt) , die für die elekt rische Charakterisierung angefertigt wurden, konnten im Ver gleich zur Referenz Micalastic™-Isolationssystem ebenso sig nifikante Verbesserungen der erfindungsgemäßen Isolationsma terialien IM gezeigt werden. Bei jeweils 80 cm langen, 6- lagig, halbüberlappenden Wicklungen ergibt sich bei
19, 6 kV/mm Prüfspannung eine Verbesserung der Lebensdauer um den Faktor 6 bei einem Anteil der Epoxycycloalkylgruppen- haltigen Komponente von mindestens 8,5 Gew.-% an der Harzfor mulierung. Es besteht die Möglichkeit, durch Variation dieses Anteils den Verbesserungsfakor angesichts der oben beschrie benen vorteilhaften Veränderung des elektrischen Verlustfak tors tandeita und der relativen Permittivität sr an den jewei ligen Verwendungszweck anzupassen.
FIG 5 zeigt dynamische Differenz-Kalorimetriemessungen DSC [mw/mg] bei 10 K/min unterschiedlicher erfindungsgemäßer Iso lationsmaterialien IM3-IM6 im Vergleich zu dem nicht
erfindungsgemäßen Isolationsmaterial nIM2. Die erfindungsge mäßen Isolationsmaterialien IM3-IM6 wurden aus Imprägniertor- mulierungen hergestellt, die als Harzformulierung folgende Mischungen aufwiesen:
IM3 40 Gew.-% polysiloxansubstituierte Epoxidharzkomponente (1, 3-Bis ( 3-glycidyl-oxypropyl ) tetramethyldisiloxan) , 10 Gew.-% cycloaliphatische Epoxidharz-Komponente (3,4— Epoxycyclohexylmethyl-3 ' , 4' -epoxycyclohexancarboxylat ) , 50 Gew.-% Bisphenol-A-Diglycidylether als Epoxidba sisharz;
IM4 40 Gew.-% polysiloxansubstituierte Epoxidharzkomponente (1, 3-Bis (3-glycidyl-oxypropyl) tetramethyldisiloxan) , 20 Gew.-% cycloaliphatische Epoxidharz-Komponente (3,4- Epoxycyclohexylmethyl-3 ' , 4' -epoxycyclohexancarboxylat) , 40 Gew.-% Bisphenol-A-Diglycidylether als Epoxidba sisharz;
IM5 40 Gew.-% polysiloxansubstituierte Epoxidharzkomponente (1, 3-Bis ( 3-glycidyl-oxypropyl ) tetramethyldisiloxan) , 30 Gew.-% cycloaliphatische Epoxidharz-Komponente (3,4- Epoxycyclohexylmethyl-3 ' , 4' -epoxycyclohexancarboxylat ) , 30 Gew.-% Bisphenol-A-Diglycidylether als Epoxidba sisharz; und
IM6 40 Gew.-% polysiloxansubstituierte Epoxidharzkomponente (1, 3-Bis (3-glycidyl-oxypropyl) tetramethyldisiloxan) , 40 Gew.-% cycloaliphatische Epoxidharz-Komponente (3,4- Epoxycyclohexylmethyl-3 ' , 4' -epoxycyclohexancarboxylat) , 20 Gew.-% Bisphenol-A-Diglycidylether als Epoxidba sisharz .
Als Härterformulierung wurde in allen Fällen IM3-IM6 eben falls exemplarisch Methylhexahydrophthalsäureanhydrid verwen det. Als Beschleuniger wurde in allen Imprägniertormulierun- gen IM3-IM6 der grundsätzlich optionale Beschleuniger
Benzyldimethylamin mit 0,8 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmasse der jeweiligen Imprägniertormulierung verwendet.
Man erkennt, dass z. B. die Imprägniertormulierungen IM6 mit der Harzformulierung 40 Gew.-% Polysiloxan, 40 Gew.-% cyc- loaliphatisches Epoxidharz ( 3 , 4-Epoxycyclohexylmethyl-3 ' , 4 ' - epoxycyclohexancarboxylat) und 20 Gew.-% Bisphenol-A- Diglycidylether und Methylhexahydrophthalsäureanhydrid als Härterformulierung (1:0,9 molar-stöchiometrisch Harzformulie rung : Härterformulierung) einen ähnlichen Glasübergang nach dem thermischen Härten für 10 h bei 145 °C Härten produziert, wie die völlig polysiloxanfreie Micalastic™- Imprägnierformulierung nIM2.
Zusammenfassend zeigen erfindungsgemäße Imprägniertormulie rungen, die zusätzlich Polysiloxane enthalten können, deut lich erhöhte elektrische Lebensdauern im Vergleich zum Stand der Technik. Die Steigerung in der Erosionsresistenz erreicht man durch teilweise und/oder zusätzliche Substitution des Epoxidharzanteils mit epoxycycloalkylmodifizierten Verbindun gen, insbesondere mit epoxycycloalkylmodifizierten Polysil- sesquioxanen . Die erfindungsgemäßen Imprägnierformulierungen sind klar und dünnflüssig und können in VPI-Prozessen verar beitet werden, wobei sie bei gängigen Verarbeitungstemperatu- ren identische Gelierzeiten wie herkömmliche Imprägnierformu lierungen besitzen und nach der Aushärtung belastbarere Iso lationsmaterialien bilden, die bedeutend höhere elektrische Eigenschaftskennwerte und damit Lebensdauern aufweisen. Orga nischmodifizierte Silsesquioxane sind kommerziell verfügbar und bereits in vergleichsweise geringen Mengenanteilen hoch- wirksam, um verbesserte Eigenschaftskennwerte zu erzielen. Außerdem erlauben sie eine grundsätzlich optionale Abmischung mit günstigeren Polysiloxanen.
Insbesondere endständig-modifizierte Polysilsesquioxane sind kommerziell erhältlich, wobei vor allem eine Epoxycyclohe- xylethyl-funktionalisierte Polysilsesquioxane den Glasüber gang signifikant erhöhen und die Anstiege des elektrischen Verlustfaktors sowie der relativen Permittivität signifikant hin zu höheren Temperaturen verschieben. Zusätzlich wird die UV-Beständigkeit, Hydrophobizität und die Teilentladungsre sistenz verbessert. All diese Eigenschaften erlauben die Her stellung von überlegenen, höher belastbaren und kompakter ausgestaltbaren elektrischen Maschinen. Weiterhin erlauben die erfindungsgemäßen Imprägnierformulierungen die Verwendung höherer Feldstärken bzw. bieten höhere elektrische Lebensdau ern, vor allem in Generatoren und Motoren.
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, Einwaagefehlern, DIN- Toleranzen und dergleichen - als vom Rahmen der Erfindung mitumfasst anzusehen.

Claims

Patentansprüche
1. Imprägniertormulierung für eine Wickelbandisolierung einer elektrischen Maschine, umfassend eine Harzformulierung mit zumindest einem Epoxidbasisharz und eine Härterformulierung mit zumindest einem Härter, wobei die Harzformulierung mit der Härterformulierung zu einem Isolationsmaterial (IM1-IM6) reagieren kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Harzformu lierung zusätzlich zum Epoxidbasisharz wenigstens eine Kompo nente mit zumindest einer gesättigten und/oder ungesättigten Epoxycycloalkylgruppe umfasst, mittels welcher eine Glasüber gangstemperatur des Isolationsmaterials (IM1-IM6) gegenüber einer Imprägniertormulierung ohne die Komponente erhöht ist.
2. Imprägniertormulierung nach Anspruch 1, wobei die Kompo nente mindestens 2 und vorzugsweise zwischen 8 und 12 gesät tigte und/oder ungesättigte Epoxycycloalkylgruppen umfasst.
3. Imprägniertormulierung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die wenigstens eine Epoxycycloalkylgruppe ausgewählt ist aus ei ner Gruppe, die Epoxy-C3-C8-Cycloalklygruppen umfasst
und/oder wobei die wenigstens eine Epoxycycloalkylgruppe über einen Spacer an ein Strukturelement der Komponente gebunden ist .
4. Imprägniertormulierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Komponente wenigstens ein Epoxycycloalkylgruppen- haltiges Polysilsesquioxan umfasst.
5. Imprägniertormulierung nach Anspruch 4, wobei das wenigs tens eine Epoxycycloalkylgruppen-haltige Polysilsesquioxan eine zufällige Struktur, eine Leiterstruktur oder eine Kä figstruktur besitzt.
6. Imprägniertormulierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Komponente ein cycloaliphatisches Epoxidharz, ins besondere 3, 4-Epoxycyclohexylmethyl-3 , 4
epoxycyclohexancarboxylat, umfasst .
7. Imprägnierformulierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Harzformulierung zusätzlich wenigstens ein Polysi loxan, insbesondere ein Diglycidylether-terminiertes Po- ly (dialkylsiloxan) und/oder ein Diglycidylether-terminiertes Poly (phenylsiloxan) , umfasst.
8. Imprägnierformulierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Epoxidbasisharz ausgewählt ist aus einer Gruppe, die phthalsäureanhydridderivathaltige Epoxidharze und phthal säureanhydridderivatfreie Epoxidharze, insbesondere Bi- sphenol-A-Diglycidylether (BADGE) , Bisphenol-F- Diglycidylether (BFDGE) , Epoxy-Novolak, Epoxy-Phenol-Novolak, Polyurethane oder eine beliebige Mischung hieraus umfasst.
9. Imprägnierformulierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Härterformulierung ausgewählt ist aus einer Gruppe, die kationische und anionische Härtungskatalysatoren, Amine, Säureanhydride, insbesondere Methylhexahydrophthalsäureanhyd- rid, Siloxan-basierte Härter, oxirangruppenhaltige Härter, insbesondere Glycidylether, Supersäuren, Epoxi- funktionalisierte Härter oder eine beliebige Mischung hieraus umfasst, und/oder dass die Härterformulierung wenigstens eine Beschleunigersubstanz, insbesondere ein tertiäres Amin und/oder ein organisches Zinksalz, umfasst.
10. Imprägnierformulierung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei in der Harzformulierung Verbindungen, die ein -CR2- Rückgrat bilden, einen Anteil von mindestens 10 Gew.-% auf weisen und/oder wobei Verbindungen, die ein -SiR2-0-Rückgrat ausbilden, einen Anteil von mindestens 5 Gew.-% aufweisen.
11. Imprägnierformulierung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei ein Anteil der wenigstens einen Komponente an der Harz formulierung mindestens 1 Gew.-% und/oder höchstens 95 Gew.-% beträgt .
12. Isolationsmaterial (IM1-IM6) für eine Wickelbandisolie rung einer elektrischen Maschine, erhältlich und/oder erhal ten aus einer Imprägniertormulierung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Isolationsmaterial (IM1-IM6) eine Glas übergangstemperatur von mindestens 90 °C besitzt.
13. Verfahren zum Herstellen eines Isolationsmaterials (IM1- IM6) , insbesondere für eine Wickelbandisolierung einer elektrischen Maschine, bei welchem eine Imprägniertormulie rung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 bereitgestellt und die Harzformulierung und die Härterformulierung der Imprägnier formulierung miteinander zur Reaktion gebracht werden und zum Isolationsmaterial (IM1-IM6) härten, wobei das Isolationsma terial (IM1-IM6) eine Glasübergangstemperatur von mindestens 90 °C besitzt.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei wenigstens ein Element aus der Gruppe Trägermaterialien, Barrierewerkstoffe und Bandkleber mit der Imprägniertormulierung durchtränkt und das Isolationsmaterial (IM1-IM6) durch ein Vakuum-Druck- Imprägnierverfahren hergestellt wird.
15. Elektrische Maschine, insbesondere Mittel- und/oder Hoch spannungsmaschine, umfassend ein Isolationsmaterial (IM1- IM6) , welches gemäß Anspruch 12 ausgebildet und/oder durch eine Imprägniertormulierung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und/oder durch ein Verfahren nach Anspruch 13 oder 14 erhält lich und/oder erhalten ist.
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