WO2022013036A1 - Isolationssystem aus festem isolationsstoff und imprägnierharz - Google Patents

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copolymer
polyetherimide
siloxane
insulation
unsubstituted
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PCT/EP2021/068820
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Steffen Lang
Marek Maleika
Niels Müller
Manfred OCHSENKÜHN
Florian Schemmel
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Siemens Aktiengesellschaft
Siemens Mobility GmbH
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Definitions

  • Insulation system made of solid insulation material and impregnating resin
  • the invention generally relates to the field of insulating electrical conductors against partial discharge in the medium and high voltage range.
  • the invention relates to an insulation system for an electrical machine, in particular a rotating electrical machine such as an electric motor and/or a generator.
  • Electrical machines such as motors and generators in the medium and high voltage range, have electrical conductors, a main insulation and a laminated stator core.
  • the purpose of the main insulation is to electrically insulate the conductors from one another, from the stator core and from the environment.
  • the so-called "treeing" channels can form in the main insulation as a result of electrical partial discharges.
  • electrical breakdown through the main insulation can occur.
  • electrical discharges do not necessarily occur during operation, so that there is no need for a barrier against partial discharges.
  • intermediate and high voltage range is used here to refer to electrical energy technology that works with high voltages in the range of over 700V - up to and including 52kV. This also includes the insulation systems, which are of interest for the fast-charging drive systems in the automotive industry .
  • a barrier in the form of a surface insulation material against partial discharges has hitherto been achieved mainly through the use of mica in the main insulation, which has a high resistance to partial discharges.
  • the mica will in the form of platelet-shaped mica particles with a conventional particle size of several 100 micrometers up to several millimeters processed into a mica paper, which is then placed on a carrier, such as a glass fiber fabric and/or insulating film, and glued, so that the mica particles the surface insulation material in result in the form of a broad mica web.
  • a mica tape is cut from this broad sheet of mica and wound around the conductor to produce the main insulation. Then, to produce the insulation system, the electrical insulation mica winding tape is impregnated with a liquid synthetic resin and the synthetic resin is then hardened.
  • Insulation systems are known - such as the system known under the brand name "Micalastic®", in which the main insulation, a mica winding tape as surface insulation material, is impregnated with a bisphenol epoxy resin in a vacuum pressure impregnation process.
  • Micalastic® is also known from EP2763142A1 and DE 102011083228A.
  • nanoscale particles which are dispersed in the synthetic resin before impregnation, is known to improve the partial discharge resistance of the main insulation.
  • the presence of the particles shortens the pot life of the synthetic resin, which is reflected in particular in the progressive polymerisation of the synthetic resin before impregnation.
  • the production of the surface insulation material in the form of a broad sheet of mica and/or a mica strip is time-consuming and expensive.
  • mica-containing laminates with, for example, mAramid and polyimide as carrier foils have also been used for traction motors for slot linings due to the requirements.
  • Mica is a natural product and comes in the form of mined mica slate. Accordingly, the resources are limited, mica is subject to fluctuations in quality depending on the mining area, is not always readily available and procurement is associated with considerable costs, not to mention the complex processing to produce the mica tape as a surface insulation material.
  • the object of the present invention to provide a surface insulation material for the complete or partial replacement of the known insulation materials containing mica paper for use in the production of an insulation system, in particular the insulation system representing the main insulation of an electric rotating machine such as a motor or a generator on average - or high-voltage range, to make available.
  • the solution to the problem and the subject of the present invention is therefore an insulation system, a solid insulation material in the form of a surface insulation material and a synthetic resin comprising, the surface insulation material being a copolymer of a polyetherimide with a siloxane and the synthetic resin being a duromer with which the Surface insulation material is impregnated and then hardened as encapsulation.
  • the partial discharge resistance is evaluated using a surface profilometer by determining the specific erosion volume after electrical aging. This is carried out based on IEC 60343.
  • the test setup and test conditions can be found in the publication: n. Müller; Slang; R.Moos: "Influence of ambient conditions on electrical partial discharge resistance of epoxy anhydride based polymers using IEC 60343 method”. Transactionson Dielectrics and Electrical Insulation 2019.
  • the polyetherimide-siloxane copolymer is a block copolymer.
  • the proportion of siloxane in the copolymer is in the range from 0.1% by weight to 90% by weight, in particular 10% by weight to 60% by weight and in particular 20% by weight to 40% by weight, based on the total weight of the copolymer.
  • the atomic proportion of silicon atoms in the copolymer is 1 to 25%, in particular 5 to 15%.
  • the polyetherimide-siloxane copolymer is a block copolymer of general formula (I) whereby
  • R 1-6 are the same or different and are selected from the group consisting of o substituted or unsubstituted, saturated, unsaturated or aromatic monocycles having 5 to 30 carbon atoms, o substituted or unsubstituted, saturated, unsaturated or aromatic polycycles having 5 to 30 carbon atoms, o substituted or unsubstituted saturated hydrocarbons having 1 to 30 carbon atoms, o substituted or unsubstituted unsaturated hydrocarbons having 2 to 30 carbon atoms;
  • - V represents a linker group having 4 valences, selected from the group consisting of o substituted or unsubstituted, saturated, unsaturated or aromatic monocycles and polycycles having 5 to 50 carbon atoms, o substituted or unsubstituted saturated hydrocarbons having 1 to 30 carbon atoms, o substituted or unsubstituted, unsaturated hydrocarbons having 2 to 30 carbon atoms, o and any combination of linker groups which include at least one of the groups mentioned above;
  • one or more additives can be contained in the copolymer.
  • one or more metal oxide(s), such as TiC>2 , Fe2C>3 and/or MnFe2C>4 and/ or electrically non-conductive carbon-based fillers, such as carbon black, can be used as additives.
  • siloxane is basically understood to mean a compound having at least one —Si—O—Si unit, in particular those that form a Si-O-Si backbone in the polymer, as is customary in silicon.
  • a polydialkylsiloxane such as polydimethylsiloxane or polydiarylsiloxane such as polydiphenylsiloxane are simple forms of a siloxane.
  • siloxanes such as a polyarylalkylsiloxane.
  • PEI Polyetherimide or "PEI” is the name given to a thermoplastic that can be used in a variety of ways because it is resistant to high temperatures, classified as flame-retardant because it produces little smoke if it does burn. PEI has high strength, also high dielectric strength, low weight and is resistant to UV light and gamma rays. In particular, PEI is commercially available as "ULTEM®”.
  • a duromer is used as the impregnation resin.
  • polyester, formaldehyde, epoxide, novolak, silicone, polyesterimide, polyurethane and any mixtures, blends and copolymers of the aforementioned compounds can be used.
  • Impregnating resins for slot linings and/or winding tape insulation are generally known, inter alia from the patent specifications mentioned above. The solid insulating materials are impregnated with these impregnating resins and the resin is then cured to complete the insulating system.
  • a polyetherimide-siloxane copolymer is available under the trade name "SiltemTM" and has already been used and tested successfully here.
  • the Siltem is an amorphous thermoplastic polyetherimide-siloxane copolymer and combines the temperature resistance of PEI with the flexibility of a silicone elastomers.
  • Figures 1 and 2 show the surface of two test specimens with insulation systems, each showing a solid surface insulation material impregnated with a synthetic resin which was cured after impregnation was complete. Both figures show the test specimen after electrical aging.
  • Fi gur 1 is the erosion of the pure polyetherimide produced represented the insulation system
  • FIG. 2 shows the erosion of the insulation system produced with the polyetherimide-siloxane copolymer according to the invention as a solid surface insulation material under the same conditions.
  • the defined standard test conditions for electrical aging according to IEC 60343 are:
  • the present invention brings a quantum leap in insulation technology, since here for the first time the expensive mica-containing insulation material, which is difficult to produce, can be dispensed with.
  • the copolymer causes an enormous increase in resistance to partial discharge compared to pure polyetherimide, in fact an almost complete resistance. Due to the detected resistance to partial discharge, the polyetherimide-siloxane copolymer presented here for the first time as a mica substitute is suitable as a surface insulating material, both for winding tape insulation and for surface insulation, for example slot lining, especially when used in engines, both for traction as well as a drive motor, but also for generators such as a wind power generator. Due to its excellent stretch properties, it expands the design spectrum of - for example - traction motors.
  • both the maramid-containing slot linings and the polyimide-containing insulating tapes with the surface insulation material made from polyetherimide-siloxane copolymer according to the invention, without having to compromise on the power density of the motors or generators.
  • the mica paper and/or mica tape each of which has mica on a carrier, such as glass fabric, and a tape adhesive for connecting the mica plates - at least - by the polyetherimide-siloxane Copolymer that can be processed, inter alia, by surface extrusion to replace.
  • an impregnating resin such as a polyester imide and/or a silicone.
  • An insulation system comprises, for example, a laminate with one or more films made of polyetherimide-siloxane copolymer, for example also processed into laminates with carriers and/or protective films - eg bonded with maramide or polyimide as the carrier film.
  • a “foil” is understood to mean a flat layer made of a material. The foil is a layer and not a stack of layers.
  • a “laminate”, on the other hand, is usually a stack of layers, comprising one or more films.
  • the layers can cover the entire surface - i.e. all layers of films - or part of the surface, i.e. at least one layer with, for example, a lattice and/or randomly distributed fibers and/or
  • the connection of a film with a fabric or a scrim, for example a glass fiber scrim, can also be sufficient to form a laminate.
  • laminate is understood to mean a stacking and/or a composite of at least two layers or films, i.e. for example at least one carrier and/or protective film, e.g. made of maramid or polyimide, with at least one film made of the polyetherimide-siloxane copolymer .
  • the simple polyetherimide-siloxane copolymer films used as surface insulation material can tear, which is why it is better to use laminates with relatively tear-resistant films for the use of the polyetherimide To use siloxane copolymers as insulation.
  • the laminates are cut into tapes, for example, and used in insulation systems.
  • insulation of a groove for an electric motor can also and/or additionally be processed over its entire length by a surface insulation material made of polyetherimide-siloxane copolymer in a thick film and/or as a laminate, ie in combination with, for example, mAramid films and/or polyimide Fo lien, to be protected as a slot lining.
  • a tape foil with a thickness in the range from 20 ⁇ m to 300 ⁇ m, in particular from 25 ⁇ m to 200 ⁇ m and very preferably in the range from 30 ⁇ m to 170 ⁇ m, is produced for the purpose mentioned here.
  • a winding tape is then made from the tape foil to produce the fixed part of a winding tape insulation, which is then impregnated with impregnating resin.
  • a surface insulation material is then made from the foil, for example by laminating several foils, papers or foils made of other materials, such as maramid foils or polyimide foils, to produce the solid part of a slot insulation system, which is then impregnated with impregnation resin .
  • the entire insulation system can be manufactured much more cheaply than with mica-based surface insulation material
  • the surface insulation material is thermally resilient from approx. 150°C to 200°C,
  • the polyetherimide-siloxane copolymer is also flexible, so that it can be used as a winding tape,
  • the invention provides for the first time a replacement for the mica conventionally used as a barrier material in an insulation system such as the main insulation of rotating electrical machines such as motors and/or generators.
  • the replacement is based on a polyetherimide-siloxane copolymer that can be processed over a large area, for example via flat extrusion. Foils are produced that can be processed in foil form or as a laminate, cut as flat insulating materials or as strips, and used in insulation systems.

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Abstract

Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Isolierung von elektrischen Leitern gegen Teilentladung im Mittel- und Hochspannungsbereich. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Isolationssystem für eine elektrische Maschine, insbesondere eine rotierende elektrische Maschine wie einen Elektromotor und/oder einen Generator. Durch die Erfindung wird erstmals ein Ersatz für den herkömmlich verwendeten Glimmer als Barrierewerkstoff in einem Isolationssystem wie der Hauptisolation von elektrischen rotierenden Maschinen wie Motoren und/oder Generatoren zur Verfügung gestellt. Der Ersatz basiert auf einem Polyetherimid-Siloxan-Copolymer, dass flächig, beispielsweise über Flächen-Extrusion, verarbeitbar ist. Dabei werden Folien hergestellt, die in Folienform oder auch als Laminat verarbeitet, als flächige Isolationsstoffe oder als Bänder geschnitten, in Isolationssystemen einsetzbar sind.

Description

Beschreibung
Isolationssystem aus festem Isolationsstoff und Imprägnier harz
Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Isolierung von elektrischen Leitern gegen Teilentladung im Mittel- und Hochspannungsbereich. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Isolationssystem für eine elektrische Maschine, insbesondere eine rotierende elektrische Maschine wie einen Elektromotor und/oder einen Generator.
Elektrische Maschinen, wie z.B. Motoren und Generatoren des Mittel- und Hochspannungsbereichs, weisen elektrische Leiter, eine Hauptisolation und ein Ständerblechpaket auf. Die Haup tisolation dient dem Zweck, die Leiter gegeneinander, gegen das Ständerblechpaket und gegen die Umgebung elektrisch zu isolieren. Bei Betrieb der elektrischen Maschine können sich durch elektrische Teilentladungen die so genannten „Treeing"- Kanäle in der Hauptisolation ausbilden. Als Folge der „Treeing"-Kanäle kann es zu einem elektrischen Durchschlag durch die Hauptisolation kommen. Im Niederspannungsbereich, wo Drähte und Kabel eingesetzt werden, kommt es im Betrieb nicht zwangsläufig zu elektrischen Entladungen, so dass dort keine Barriere gegen Teilentladungen erforderlich sind.
Als „Mittel- und Hochspannungsbereich" wird vorliegend die elektrische Energietechnik, die mit einer Hochspannung im Be reich über 700V - bis einschließlich 52kV - arbeitet, ver standen. Dadurch sind auch die Isolationssysteme, die für die schnellladefähigen Antriebssysteme der Automobilindustrie in teressant sind, mitumfasst.
Eine Barriere in Form eines Flächenisolationswerkstoffes ge gen die Teilentladungen wird bislang hauptsächlich durch den Einsatz von Glimmer in der Hauptisolation erreicht, welcher eine hohe Teilentladungsbeständigkeit hat. Der Glimmer wird in Form von plättchenförmigen Glimmerpartikeln mit einer her kömmlichen Partikelgröße von mehreren 100 Mikrometern bis zu mehreren Millimetern zu einem Glimmerpapier verarbeitet, wel ches nachfolgend auf einem Träger, wie ein Glasfasergewebe und/oder Isolierfolie, aufgesetzt und verklebt wird, so dass die Glimmerpartikel den Flächenisolationsstoff in Form von einer Glimmerbreitbahn ergeben. Aus dieser Glimmerbreitbahn wird ein Glimmerband geschnitten, das zur Herstellung der Hauptisolation um den Leiter gewickelt wird. Darauffolgend wird zur Herstellung des Isolationssystems das Elektroisola- tions-Glimmerwickelband mit einem flüssigen Kunstharz impräg niert und anschließend wird das Kunstharz ausgehärtet.
Bekannt sind Isolationssysteme - wie beispielsweise das unter der Marke „Micalastic®" bekannte System, bei dem in einem Va- kuum-Druck-Imprägnierverfahren die Hauptisolation, ein Glim merwickelband als Flächenisolationsstoff umfassend, mit einem Bisphenol-Epoxidharz imprägniert wird.
Micalastic® ist auch aus der EP2763142A1 und der DE 102011083228A bekannt.
Zur Verbesserung der Teilentladungsbeständigkeit der Haup tisolation ist der Einsatz nanoskaliger Partikel bekannt, die in dem Kunstharz vor dem Imprägnieren dispergiert werden. Durch die Anwesenheit der Partikel verkürzt sich jedoch die Topfzeit des Kunstharzes, was sich insbesondere in einer vo ranschreitenden Polymerisierung des Kunstharzes vor der Im prägnierung zeigt.
Die Herstellung des Flächenisolationswerkstoffes in Form ei ner Glimmerbreitbahn und/oder eines Glimmerbandes ist aufwän dig und teuer.
Insbesondere werden auch für Traktionsmotoren für Nutausklei dungen aufgrund der Anforderungen bislang glimmerhaltige La minate mit z.B. mAramid und Polyimid als Trägerfolie einge setzt. Glimmer ist ein Naturprodukt und wird in Form von Glimmerschiefer abgebaut. Entsprechend sind die Ressourcen begrenzt, Glimmer ist je nach Abbaugebiet Qualitätsschwankun gen unterlegen, nicht immer gleich gut verfügbar und die Be schaffung mit erheblichen Kosten verbunden, ganz zu schweigen von der aufwändigen Verarbeitung zur Herstellung des Glimmer bandes als Flächenisolationsstoff.
Deshalb ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Flä chenisolationsstoff zum vollständigen oder teilweisen Ersatz der bekannten Glimmerpapier-haltigen Isoliermaterialien zur Verwendung bei der Herstellung eines Isolationssystems, ins besondere des die Hauptisolation darstellenden Isolationssys tems einer elektrischen rotierenden Maschine wie eines Motors oder eines Generators im Mittel- oder Hochspannungsbereich, zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Er findung, wie er in der Beschreibung, den Figuren und den An sprüchen offenbart ist, gelöst.
Lösung der Aufgabe und Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Isolationssystem, einen festen Isolationswerk stoff in Form eines Flächenisolationsstoffes und ein Kunst harz umfassend, wobei der Flächenisolationsstoff ein Copoly mer aus einem Polyetherimid mit einem Siloxan und das Kunst harz ein Duromer ist, mit dem der Flächenisolationsstoff im prägniert und anschließend als Verguss ausgehärtet wird.
Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass bei Po- lyetherimid-Siloxan-Copolymeren ein enormes Potential als Isoliermaterial im Mittel- und Hochspannungsbereich hinsicht lich der Beständigkeit gegenüber Teilentladungen erkannt und nachgewiesen wurde. Insbesondere wurde auch erkannt, dass in den Copolymeren aus Polyetherimid und Siloxan wegen der weni ger polaren Seitengruppen des Siloxans gegenüber dem reinen Polyetherimid als „Verunreinigung" wirken, wodurch die Glas übergangstemperatur sinkt. Zusätzlich wirkt der Siloxananteil wie ein „Weichmacher", der aber chemisch gebunden ist und thermisch nicht so hohe Temperaturen wie das reine Polyethe- rimid aushalten kann, aber dennoch für höhere Temperaturbean spruchungen geeignet ist. Polyetherimid-Siloxan-Copolymere können durch geeignete Extrusionsverfahren flächig als Folie hergestellt werden, die ihrerseits eine ausreichende Elasti zität aufweisen, um - in geschnittener Form - als Wickelbän der für Wickelband-Hauptisolationen eingesetzt zu werden.
Die Bewertung der Teilentladungsresistenz erfolgt via Ober flächenprofilometer über die Ermittlung des spezifischen Ero sionsvolumens nach der elektrischen Alterung. Diese wird in Anlehnung an die IEC 60343 durchgeführt. Der Versuchsaufbau sowie Testbedingungen können in der Veröffentlichung: n. Mül ler; S.Lang; R.Moos: „Influence of ambient conditions on electrical partial discharge resistance of epoxy anhydride based polymers using IEC 60343 method". Transactionson Die- lectrics and Elektrical Insulation 2019.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Polyetheri- mid-Siloxan-Copolymer ein Block-Copolymer.
Der Anteil an Siloxan im Copolymer liegt im Bereich von 0,1Gew% bis 90Gew%, insbesondere bei 10Gew% bis 60Gew% und insbesondere bei 20Gew% bis 40Gew%, bezogen auf das Gesamtge wicht des Copolymers.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform liegt der atomare Anteil an Silizium-Atomen im Copolymer bei 1 bis 25 %, insbe sondere bei 5 bis 15 %.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Polyetherimid-Siloxan-Copolymer ein Block-Copolymer der allgemeinen Formel (I)
Figure imgf000005_0001
wobei
- R1-6 gleich oder ungleich sind und ausgewählt aus der Gruppe der o substituierten oder unsubstituierten, gesättigten, ungesättigten oder aromatischen Monocyclen mit 5 bis 30 Kohlenstoffatomen, o substituierten oder unsubstituierten, gesättigten, ungesättigten oder aromatischen Polycyclen mit 5 bis 30 Kohlenstoffatomen, o substituierten oder unsubstituierten, gesättigten Kohlenwasserstoffen mit 1 bis 30 Kohlenstoffatomen, o substituierten oder unsubstituierten, ungesättigten Kohlenwasserstoffen mit 2 bis 30 Kohlenstoffatomen;
- V steht für eine 4-Valenzen habende Linkergruppe, ausge wählt aus der Gruppe der o substituierten oder unsubstituierten, gesättigten, ungesättigten oder aromatischen Monocyclen und Po lycyclen mit 5 bis 50 Kohlenstoffatomen, o substituierten oder unsubstituierten, gesättigten Kohlenwasserstoffen mit 1 bis 30 Kohlenstoffatomen, o substituierten oder unsubstituierten, ungesättigten Kohlenwasserstoffen mit 2 bis 30 Kohlenstoffatomen, o sowie beliebig kombinierten Linkergruppen, die zu mindest eine der vorgenannten Gruppen umfassen;
- g beträgt 1 bis 30 und
- d beträgt 2 bis 20.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfin dung können in dem Copolymer ein oder mehrere Additive ent halten sein. Beispielsweise können ein oder mehrere Me- talloxid(e), wie z.B. TiC>2, Fe2C>3 und/oder MnFe2C>4Und/oder elektrisch nichtleitfähige Kohlenstoff basierte Füllstoffe, wie z.B. Industrieruß als Additive eingesetzt werden.
Als „Siloxan" wird vorliegend grundsätzlich eine Verbindung mit zumindest einer -Si-O-Si-Einheit verstanden, insbesondere solche, die im Polymer ein Si-O-Si-Rückgrat wie es in Silico nen üblich ist, bilden. Beispielsweise sind ein Polydialkyl- siloxan, wie das Polydimethylsiloxan, oder Polydiarylsiloxan, wie das Polydiphenylsiloxan einfache Formen eines Siloxans. Natürlich gibt es auch gemischte Formen von Siloxanen wie beispielsweise ein Polyarylalkylsiloxan.
Als Polyetherimid oder „PEI" wird ein thermoplastischer Kunststoff bezeichnet, der vielfältig einsetzbar ist, weil er hochtemperaturbeständig ist, als flammwidrig eingestuft, weil er geringe Rauchentwicklung zeigt, wenn er dennoch mal brennt. PEI hat hohe Festigkeit, auch hohe elektrisch Durch schlagsfestigkeit, geringes Gewicht und ist gegen UV-Licht und Gammastrahlen beständig. Insbesondere ist PEI als „ULTEM®" handelsüblich.
Als Imprägnierharz wird ein Duromer eingesetzt. Dabei kann beispielsweise Polyester, Formaldehyd, Epoxid, Novolak, Sili kon, Polyesterimid, Polyurethan sowie beliebige Mischungen, Blends und Copolymere der vorgenannten Verbindungen einge setzt werden. Imprägnierharze für Nutauskleidungen und/oder Wickelbandisolationen sind allgemein, unter anderem aus den oben genannten Patentschriften, bekannt. Die festen Isolati onsstoffe werden mit diesen Imprägnierharzen imprägniert und das Harz dann ausgehärtet damit das Isolationssystem fertig gestellt ist.
Unter dem Handelsnamen „Siltem™" ist ein Polyetherimid- Siloxan-Copolymer erhältlich, dass hier schon erfolgreich eingesetzt und getestet wurde. Das Siltem ist ein amorphes thermoplastischen Polyetherimid-Siloxan-Copolymer und kombi niert die Temperaturbeständigkeit des PEI mit der Flexibili tät eines Silicon-Elastomers.
Die Figuren 1 und 2 zeigen die Oberfläche zweier Prüfkörper mit Isolationssystemen, jeweils einen festen Flächenisolati onsstoff imprägniert mit einem Kunstharz, das nach erfolgter Imprägnierung ausgehärtet wurde, dargestellt. Beide Figuren zeigen den Prüfkörper nach der elektrischen Alterung. In Fi gur 1 ist die Erosion des mit reinem Polyetherimids herge- stellten Isolationssystems und in Figur 2 die Erosion des mit dem erfindungsgemäßen Polyetherimid-Siloxan-Copolymer als festem Flächenisolationsstoff hergestellten Isolationssystem unter den gleichen Bedingungen dargestellt.
Die definierten Standardprüfbedingungen für die elektrische Alterung nach IEC 60343 sind:
Spannung: 10 kV
Atmosphäre: Luft 50%RH
Temperatur: Raumtemperatur ca. 23°C
Testdauer: 100 Stunden
Durchfluss: 1000 l*h 1
Unterhalb der Figur 1 befindet sich die Legende, wobei er kennbar ist, dass bei der Figur 1, dem Isolationssystem mit reinem PEI, unter den unten genannten Bedingungen sich ein Kreis um den mittig angeordneten Leiter herum mit einer durch Teilentladungen verursachten Erosionstiefe von bis zu 80 gm bildet, wohingegen unter den gleichen Bedingungen der Prüf körper der Figur 2, mit dem bis auf den festen Isolations werkstoff identisch hergestellten Isolationssystem, das das erfindungsgemäße Copolymer als festen Isolationswerkstoff um fasst, im getesteten Fall das Handelsprodukt Siltem® und/oder Ultem® STM 1600 als PEI-Siloxan-Copolymer, auch eine kreis runde Alterung, aber lediglich mit einer Erosionstiefe zwi schen -lgm und -8gm zeigt.
Die vorliegende Erfindung bringt nach diesen Tests einen Quantensprung in der Isolationstechnik, da hier erstmals auf das aufwändig herzustellende und kostspielige glimmerhaltige Isoliermaterial verzichtet werden kann.
Es zeigt sich, dass das Copolymer gegenüber dem reinen Po- lyetherimid einen enormen Anstieg, ja eine nahezu vollständi ge Teilentladungsresistenz bewirkt. Aufgrund der festgestellten Teilentladungsresistenz eignet sich das hier erstmals als Glimmer-Ersatz vorgestellte Po- lyetherimid-Siloxan-Copolymer als Flächenisolierstoff, sowohl für Wickelband-Isolationen als auch für flächige, beispiels weise Nutauskleidungs-Isolationen, besonders im Einsatz von Motoren, sowohl für die Traktion als auch als Antriebsmotor, aber auch für Generatoren wie z.B. einem Windkraftgenerator. Durch seine hervorragenden Dehnungseigenschaften erweitert es das Designspektrum von -beispielsweise - Traktionsmotoren.
Damit ist es ein erreichbares Ziel, sowohl die mAramid- enthaltenden Nutauskleidungen, ebenso wie die Polyimid enthaltenden Isolierbänder mit dem erfindungsgemäßen Flä chenisolationsstoff aus Polyetherimid-Siloxan-Copolymer her zustellen, ohne bei der Leistungsdichte der Motoren oder Ge neratoren Abstriche machen zu müssen. Vor allem ist es mög lich, in beiden Isolationssystemen das Glimmerpapier und/oder Glimmerband, die jeweils Glimmer auf einem Träger, wie bei spielsweise Glasgewebe, und zur Verbindung der Glimmerplätt chen einen Bandkleber - mindestens - umfassen, durch das Po- lyetherimid-Siloxan-Copolymer , das unter anderem durch Flä- chen-Extrusion verarbeitet werden kann, zu ersetzen.
Eine beispielsweise durch Flächen-Extrusion hergestellte Po- lyetherimid-Siloxan-Folie isoliert beispielsweise die Spulen und/oder die Drähte der Wicklung eines Elektromotors. Diese Spulen werden anschließend in die Nuten eines Blechpakets eingelegt und anschließend mit einem Imprägnierharz, wie bei spielsweise einem Polyesterimid und/oder einem Silikon im prägniert.
Ein Isolationssystem gemäß einer Ausführungsform der vorlie genden Erfindung umfasst beispielsweise Laminat mit einer o- der mehreren Folien aus Polyetherimid-Siloxan-Copolymer, bei spielsweise auch zu Laminaten mit Trägern und/oder Schutzfo lien verarbeitet - z.B. mit mAramid oder Polyimid als Träger folie verbunden. Als „Folie" wird vorliegend eine flächige Schicht aus einem Material verstanden. Die Folie ist eine Schicht und kein Schichtstapel .
Ein „Laminat" hingegen ist in der Regel ein Schichtstapel, eine oder mehrere Folien umfassend. Dabei können die Schich ten vollflächig - also alle Schichten Folien - oder teilflä chig also zumindest eine Schicht mit beispielsweise einer Gitter- und/oder statistisch verteilten Fasern und/oder Netz struktur aufeinanderliegen. Es kann zur Laminatbildung auch die Verbindung einer Folie mit einem Gewebe oder einem Gele ge, beispielsweise einem Glasfasergelege, ausreichen.
Als „Laminat" wird vorliegend eine Stapelung und/oder ein Verbund zumindest zweier Schichten oder Folien, also bei spielsweise zumindest einer Träger- und/oder Schutzfolie, z.B. aus mAramid oder Polyimid, mit zumindest einer Folie aus dem Polyetherimid-Siloxan-Copolymer, verstanden.
Insbesondere bei Nutauskleidungen, wie sie beispielsweise in Elektromotoren, Windgeneratoren etc. Vorkommen, können die einfachen Folien aus Polyetherimid-Siloxan-Copolymer als Flä chenisolationsstoff reißen, deshalb ist es besser, hier Lami nate mit relativ reißfesten Folien für den Einsatz des Po- lyetherimid-Siloxan-Copolymers als Isolation zu verwenden.
Nach einer weiteren Ausführungsform werden die Laminate bei spielsweise zu Bändern geschnitten und in Isolationssystemen eingesetzt .
So kann eine Isolation einer Nut für einen Elektromotor in ihrer gesamten Länge auch und/oder zusätzlich durch einen Flächenisolationsstoff aus Polyetherimid-Siloxan-Copolymer in großer Foliendicke und/oder als Laminat verarbeitet, also z.B. im Verbund mit z.B. mAramid Folien und/oder Polyimid Fo lien, als Nutauskleidung geschützt werden.
Anschließend wird die Wicklung in die Nuten eingelegt und wiederum die gesamte Wicklung mit einem Imprägnierharz wie Polyesterimid oder Silikon imprägniert. Bei der Herstellung des Flächenisolierstoffes als Wickelband wird insbesondere eine Bandfolie in einer Dicke im Bereich von 20pm bis 300pm, insbesondere von 25pm bis 200pm und ganz bevorzugt im Bereich von 30pm bis 170pm, zu dem hier genann ten Zweck hergestellt. Aus der Bandfolie wird dann ein Wi ckelband, zur Herstellung des festen Anteils einer Wickelban disolation, hergestellt, dass anschließend mit Imprägnierharz imprägniert wird.
Bei der Herstellung des Flächenisolationsstoff, beispielswei se zur Nutauskleidung, wird insbesondere eine Folie in einer Dicke im Bereich von 12,5pm bis 500pm, insbesondere von 25pm bis 450pm und ganz bevorzugt im Bereich von 50pm bis 300pm, zu dem hier genannten Zweck hergestellt. Aus der Folie wird dann ein Flächenisolationsstoff, beispielsweise durch Lami nieren mehrerer Folien, Papiere oder Folien aus anderen Mate rialien, wie mAramid-Folien oder Polyimid-Folien, zur Her stellung des festen Anteils eines Nutisolationssystems, her gestellt, dass anschließend mit Imprägnierharz imprägniert wird.
Weitere Vorteile der Verwendung eines Polyetherimid-Siloxan- Copolymers als Flächenisolationsstoff sind beispielsweise, dass
- das gesamte Isolationssystem deutlich günstiger herge stellt werden kann als mit Glimmer basiertem Flächeniso lationsstoff,
- der Flächenisolationsstoff ist thermisch von ca. 150°C bis 200°C belastbar,
- das Polyetherimid-Siloxan-Copolymer ist dank seines Si loxan-Anteils auch flexibel, so dass es als Wickelband einsetzbar ist,
- elektrisch hält es - wie Tests gezeigt haben - dauerhaft die benötigte Feldstärke, denn, - wie vorliegend heraus gefunden wurde - wenn bei elektrischen Feldstärken von bis zu maximal 15kV/mm (!) elektrische Entladungen auf ein Siloxan oder einen SiCh-Nanopartikel treffen, bildet sich eine verglaste Schutzschicht, die die Lebensdauer einer damit isolierten elektrischen rotierenden Maschine signifikant erhöht. Die so gebildete, verglaste Schicht kann gut mittels REM detektiert werden, außerdem ist ei ne Elementaranalyse mittels EDX möglich, um das Silizium im Copolymer zu detektieren und es ist Teilentladungsresistent, wie Figur 2 der vorlie genden Beschreibung zeigt, was zu einer deutlichen Erhö hung der elektrischen Lebensdauer führt.
Durch die Erfindung wird erstmals ein Ersatz für den herkömm lich verwendeten Glimmer als Barrierewerkstoff in einem Iso lationssystem wie der Hauptisolation von elektrischen rotie- renden Maschinen wie Motoren und/oder Generatoren zur Verfü gung gestellt. Der Ersatz basiert auf einem Polyetherimid- Siloxan-Copolymer, dass flächig, beispielsweise über Flächen- Extrusion, verarbeitbar ist. Dabei werden Folien hergestellt, die in Folienform oder auch als Laminat verarbeitet, als flä- chige Isolationsstoffe oder als Bänder geschnitten, in Isola tionssystemen einsetzbar sind.

Claims

Patentansprüche
1.Isolationssystem, einen festen Isolationswerkstoff in Form eines Flächenisolationsstoffes und ein Kunstharz umfassend, wobei der Flächenisolationsstoff ein Copoly mer aus einem Polyetherimid mit einem Siloxan und das Kunstharz ein Duromer ist, mit dem der Flächenisolati onsstoff imprägniert und anschließend als Verguss ausge härtet wird.
2.Isolationssystem nach Anspruch 1, wobei das Copolymer aus Polyetherimid und Siloxan ein Block-Copolymer ist.
3.Isolationssystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wo bei das Copolymer einen Anteil an Siloxan im Bereich von 0,1 Gew% bis 90 Gew%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Copolymers, hat.
4.Isolationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü che, wobei im Copolymer ein atomarer Anteil an Silizium- Atomen im Bereich von 1% bis 25%, bezogen auf alle Atome im Copolymer, vorliegt.
5.Isolationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü che, wobei das Copolymer gemäß der Formel (I)
©
Figure imgf000013_0001
wobei
- R1-6 gleich oder ungleich sind und ausgewählt aus der
Gruppe der o substituierten oder unsubstituierten, gesättigten, ungesättigten oder aromatischen Monocyclen mit 5 bis 30 Kohlenstoffatomen, o substituierten oder unsubstituierten, gesättigten, ungesättigten oder aromatischen Polycyclen mit 5 bis 30 Kohlenstoffatomen, o substituierten oder unsubstituierten, gesättigten Kohlenwasserstoffen mit 1 bis 30 Kohlenstoffatomen, o substituierten oder unsubstituierten, ungesättigten Kohlenwasserstoffen mit 2 bis 30 Kohlenstoffatomen;
- V steht für eine 4-Valenzen habende Linkergruppe, ausge wählt aus der Gruppe der o substituierten oder unsubstituierten, gesättigten, ungesättigten oder aromatischen Monocyclen und Po lycyclen mit 5 bis 50 Kohlenstoffatomen, o substituierten oder unsubstituierten, gesättigten Kohlenwasserstoffen mit 1 bis 30 Kohlenstoffatomen, o substituierten oder unsubstituierten, ungesättigten Kohlenwasserstoffen mit 2 bis 30 Kohlenstoffatomen, o sowie beliebig kombinierten Linkergruppen, die zu mindest eine der vorgenannten Gruppen umfassen;
- g beträgt 1 bis 30 und
- d beträgt 2 bis 20.
6. Isolationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü che, wobei im Flächenisolationsstoff ein oder mehrere Additi (e) vorgesehen sind.
7. Isolationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü che, wobei als Copolymer das unter dem Handelsnamen Sil- tem™ erhältliche Produkt eingesetzt wird.
8. Isolationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü che, einen Flächenisolationsstoff aus Polyetherimid- Siloxan-Copolymer zumindest in Form eines Laminats, ei ner Folie, in Form eines Bandes und/oder eines aus einem Laminat geschnittenen Bandes, umfassend.
9.Verwendung eines Polyetherimid-Siloxan-Copolymers als Flächenisolationsstoff und/oder als Wickelband für ein Isolationssystem im Mittel- und Hochspannungsbereich.
10. Verwendung eines Polyetherimid-Siloxan-Copolymers als Flächenisolationsstoff und/oder als Wickelband in elektrischen Traktionsmotoren.
11. Verwendung eines Polyetherimid-Siloxan-Copolymers als Flächenisolationsstoff und/oder als Wickelband in Generatoren von Dampf- und/oder Gasturbinen.
12. Verwendung eines Polyetherimid-Siloxan-Copolymers als Flächenisolationsstoff und/oder als Wickelband in Windgeneratoren .
13. Verwendung eines Polyetherimid-Siloxan-Copolymers als Flächenisolationsstoff und/oder als Wickelband in elektrischen Antriebsmotoren.
14. Verwendung eines Polyetherimid-Siloxan-Copolymers als Flächenisolationsstoff in Form einer Folie und/oder eines Laminats als Nutauskleidung.
15. Verwendung eines Polyetherimid-Siloxan-Copolymers als Flächenisolationsstoff in Form eines Bandes als Wi ckelband in einer elektrischen rotierenden Maschine, ei nem Motor und/oder einem Generator.
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