WO2022175303A1 - Isolationssystem für elektrische rotierende maschinen und verfahren zur herstellung dazu - Google Patents

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WO2022175303A1
WO2022175303A1 PCT/EP2022/053760 EP2022053760W WO2022175303A1 WO 2022175303 A1 WO2022175303 A1 WO 2022175303A1 EP 2022053760 W EP2022053760 W EP 2022053760W WO 2022175303 A1 WO2022175303 A1 WO 2022175303A1
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Steffen Lang
Marek Maleika
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • Insulation system for electrical rotating machines and method for the production thereof are Insulation system for electrical rotating machines and method for the production thereof.
  • the invention relates to an insulation system for an electrical rotating machine, in particular an electric motor and/or generator.
  • the invention also relates to a method for producing such an insulation system, in particular for producing one or more components of an insulation system comprising several components.
  • Electrical rotating machines in the low and high voltage range such as electric motors and electrical generators, are known. These machines are characterized by a large number of different designs and areas of application, they are used in all areas of technology, industry, everyday life, transport, medicine and other areas.
  • the power range of electrical machines extends from orders of magnitude below one microwatt , for example in micro system technology, to more than one gigawatt, i.e. a thousand times a million watts, for example in the power plant sector. In between are applications with traction and drive motors in the vehicle sector, rail vehicle sector, etc.
  • coils made up of partial conductors which are insulated from one another, for example by means of windings and/or wire enamel. These are formed from blanks, such as a spool fish, by drawing and twisting them in such a way that they can be inserted into the slots of a stator base body, i.e. into the laminated core of the electric motor.
  • the coils are connected to each other via so-called winding heads and contacted by appropriate connections.
  • the current- carrying coils are isolated from each other, from the laminated core and finally also from the environment by an insulation system.
  • the insulation system regularly comprises several components, the main insulation, which is a winding based on mica tapes impregnated with epoxy, polyester or polyesterimide resin, provides insulation for the high-voltage conductors, especially copper conductors, against the grounded stator. It has a high partial discharge inception voltage, which enables it to permanently reduce, for example, 2.0 - 3.5 kV per millimeter.
  • the most important components of an insulation system are viewed from the inside to the outside, the partial conductor insulation, main insulation, if necessary external corona protection (AGS) and if necessary end corona protection (EGS).
  • AGS external corona protection
  • EVS end corona protection
  • “Inside” refers to the level of the conductors, in particular copper conductors, which initially have a relatively thin first insulation layer, the partial conductor insulation, which form the electrical coil. All insulation systems have a main insulation and - depending on the rating - voltage of the electrical rotating machine - then an outer corona protection, -AGS- and, if necessary, an end corona protection -EGS.
  • main insulation All components of the insulation system, main insulation, AGS and EGS, have so far usually been wound onto the sub-conductors as strips, with parts of them, such as the EGS, being complete be applied by hand.
  • the main insulation In the case of motors with lower rated voltages, as is the case with traction motors, for example, the main insulation cannot be designed as a wound strip but as a so-called slot box.
  • the other parts cannot be applied fully automatically either, because either the number of pieces makes automation uneconomical and/or the risk of air pockets in the folds does not guarantee the quality required for winding.
  • the tapes that are wound and the slot boxes that are inserted into the slots for the main insulation usually consist of glued mica flakes, which serve in the insulation to lengthen the erosion path in the insulation system, i.e. the direct path from the high-voltage side, i.e. the conductors, to the grounded laminated core, which results in a significantly longer service life for an insulation system.
  • the object of the present invention is now to overcome the disadvantages of the prior art and to create a main insulation, an AGS and/or EGS that can be produced by hand without or at least largely without application. This object is achieved by the subject matter of the present invention, as disclosed in the description and the claims.
  • the subject of the present invention is a powder coating formulation or wet coating for producing an insulation system of an electrical machine, in particular a rotating electrical machine with a rated voltage of at least 700 V, comprising at least one curable powder coating formulation, in particular one that can be cured at room temperature resin-resin or resin-hardener mixture that is solid or prepared in a solvent for wet paint, that - at least one first resin component which is based on hydrocarbons and has at least two epoxy groups,
  • At least one second resin component which is based on silicon-oxygen and is in particular a siloxane and/or a silsesquioxane compound or a compound derivatized from these parent compounds and has at least one hydroxyl functionality
  • a hardener and/or an initiating catalyst wherein quantitatively the resin component based on hydrocarbons predominates.
  • the subject matter of the invention is a method for producing one or more components of an insulation system of an electrical rotating machine, comprising a main insulation, an internal potential control, an external corona protection and/or an end corona protection, having the following process steps:
  • the powder coating is carried out by spraying the heated substrate and then cooling it--for example to room temperature.
  • the wet painting is carried out by application, in particular by spraying and / or immersion of the wet paint and subsequent drying and / or removal of the solvent performed.
  • the powder coating is carried out by immersing the rod or coil in a powder coating fluidized bed containing the powder coating formulation in powder form in an air stream.
  • the provision of the powder coating formulation and/or the wet coating for the AGS and/or EGS is supplemented by the addition of electrically conductive filler, optionally present in several fractions.
  • the powder coating and/or the wet coating is carried out automatically.
  • the resin-resin or resin-hardener mixture which is solid at room temperature or prepared in a solvent for wet paint, also comprises insulating fillers, in particular inorganic and/or mineral fillers, in several fractions, in particular with regard to shape and Size, present, as well as sintering aids and/or additives, such as leveling and degassing additives.
  • electrically conductive fillers are added to the powder paint formulation, optionally in several fractions.
  • a resin-resin mixture is also present without a hardener, but with a catalyst or initiator if curing to form a duromer can take place via homopolymerization. However, if two different monomeric or oligomeric compounds cure to form a duromer, then there is a resin-hardener mixture that undergoes addition polymerization that requires a stoichiometric amount of hardener.
  • the first present resin component which is, for example, solid or processed in a solvent to form the wet paint at room temperature, is, as mentioned, hydrocarbon-based with at least two epoxy groups, for example this resin component is selected from the group of epoxy resins, diglycidyl ether resins, novolaks and / or cycloaliphatic epoxy resins, and any mixtures of said compounds.
  • R is -hydrogen, -aryl, -alkyl, -heterocycles, nitrogen, oxygen and/or sulfur-substituted aryls and/or alkyls.
  • epoxy-functionalized components such as bisphenol F diglycidyl ether (BFDGE) or bisphenol A diglycidyl ether (BADGE), polyurethane and mixtures thereof are particularly suitable.
  • BFDGE bisphenol F diglycidyl ether
  • BADGE bisphenol A diglycidyl ether
  • epoxidized novolaks or mixtures thereof are particularly suitable.
  • the first resin component comprises a monomeric and/or oligomeric, in particular epoxidized novolak mixture with bisphenol A and/or bisphenol F diglycidyl ether, in particular with chain-extended bisphenol A and/or F, also in the form of a di- or higher - Epoxy hydrocarbon-based resin component.
  • all epoxy resin components comprise two or more glycidyl ester and/or glycidyl ether and/or hydroxyl functionalities and/or that the resin formulation contains at least one compound acting as a hardener based on dicyandiamide and/or (poly)amine and/or or amino and/or alkoxy functional alkyl/aryl polysiloxane base.
  • the second resin component that is present preferably comprises at least one monomeric and/or oligomeric resin component based on silicon and oxygen, with the term "resin” already implying that it is an organic one
  • This is a silicon-oxygen compound based, for example, on alkyl and/or aryl polysiloxane and/or on silsesquioxane.
  • a resin and/or a resin mixture is provided as the second resin component for the powder coating formulation, in which at least part of the resin mixture and/or resin-hardener mixture for the insulation system that hardens to form a duromer contains a siloxane-containing compound which forms a -[0-SiR 2 -0] n backbone in the fully cured duromer.
  • R stands for all types of organic residues that are suitable for curing and/or crosslinking to form an insulating material that can be used for an insulation system.
  • R stands in particular for -aryl, -alkyl, -heterocycles, nitrogen, oxygen and/or sulfur-substituted ones aryls and/or alkyls.
  • R can be the same or different and can represent the following groups:
  • - Alkyl for example -methyl, -propyl, -isopropyl, -butyl, -isobutyl, -tertbutyl, -pentyl, -isopentyl, -cyclopentyl and all other analogs up to dodecyl, ie the homologue with 12 carbon atoms;
  • Aryl for example: benzyl, benzoyl, biphenyl, toluene, xylene and comparable aromatics, in particular for example all aryl radicals, with one or more rings 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 dioxanes
  • Nitrogen-containing heterocycles such as those with -CN, -
  • the Hückel rule for aromatic compounds refers to the fact that planar, cyclically conjugated molecules that contain a number of P electrons that can be represented in the form of 4n + 2 have a special stability that also called aromaticity.
  • the monomeric or oligomeric second resin component functionalized for polymerization and having a -[O-S1R2-O] n backbone with one or more first resin components containing -[-CR1R2-] n backbone is selected from the group of the following compounds combined to form the resin mixture and/or resin-hardener mixture: undistilled and/or distilled, optionally reactively diluted bisphenol A diglycidyl ether, undistilled and/or distilled, optionally reactively diluted bisphenol F
  • Glycidyl-based and/or epoxy-terminated aryl and/or alkyl siloxanes such as, for example, glycidoxy functi nalized, in particular glycidoxy-terminated, siloxanes.
  • a siloxane such as 1,3-bis(3-glycidyloxypropyl)tetramethyldisiloxane, DGTMS, and/or glycidoxy-terminated phenyldimethylsiloxane and/or phenylmethylsiloxane in monomeric and/or oligomeric form is suitable , as well as in any mixtures and/or in the form of derivatives.
  • hydroxy-functionalized polyphenylsiloxane-based compound from Wacker AG “Silres-603” is commercially available and is suitable here.
  • silsesquioxanes or derivatives of silsesquioxane are suitable as the second resin component in the powder coating formulation based on silicon and oxygen.
  • This is an organic silicon-oxygen-based compound with cage-like or polymeric structures that have a -[O-SiR2- 0-] n backbone, such as the examples shown below: in particular, R can be the same or different and can represent the following groups:
  • - Alkyl for example -methyl, -propyl, -isopropyl, -butyl, -isobutyl, -tertbutyl, -pentyl, -isopentyl, -cyclopentyl and all other analogs up to dodecyl, ie the homologue with 12 carbon atoms;
  • Aryl for example: benzyl, benzoyl, biphenyl, toluene, xylene and comparable aromatics, in particular for example all aryl radicals, with one or more rings 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,
  • Nitrogen-containing heterocycles such as those with -CN, -CNO,-CNS, substituents on the ring or rings and
  • the formulation also includes fillers, in particular spherical ones shaped and/or irregularly shaped fillers.
  • the fillers can be crystalline and/or amorphous.
  • the fillers are preferably based on silicon dioxide, for example they contain fused silica, ground quartz and/or quartz glass.
  • the resistance of the sprayable powder paint formulation and/or wet paint coating can be increased by adding fillers, in particular mineral or/or synthetic fillers, such as quartz powder, fused silica, glass powder, in a mass fraction of, for example, 5% by weight to 65% by weight is increased when at least part of the resin is replaced with a partial discharge resistant component.
  • the second resin component based on silicon instead of carbon is referred to as the partial discharge-resistant component. This can either be a polysiloxane or a silsesquioxane or one or a mixture of several derivatives of these silicon-containing compounds with oxygen.
  • the use of the large mica flakes glued to form the strip can be dispensed with and the insulation material can be applied and produced in the form of a powder coating formulation or wet coating automatically by spraying and/or dipping.
  • Partial discharge-resistant resins and resin mixtures are, for example, those in which the polymeric component is a component with a -[-O-S1R2-O-] n - backbone as a secondary component of the resin mixture and/or resin-hardener mixture, i.e. too few than 50 mol%, in particular less than 40 mol% and very preferably less than 30 mol% of the polymerizable resin mixture and/or resin-hardener mixture.
  • Suitable hardeners are cationic and anionic hardening catalysts, such as organic salts, such as organic ammonium, sulfonium, iodonium, phosphonium and/or imidazolium salts and amines, such as tertiary amines, pyrazoles and/or imidazole compounds. Examples which may be mentioned here are 4,5-dihydroxymethyl-2-phenylimidazole and/or 2-phenyl-4-methyl-5-hydroxymethylimidazole. However, compounds containing oxirane groups, such as, for example, glycidyl ether, can also be used as hardeners.
  • organic salts such as organic ammonium, sulfonium, iodonium, phosphonium and/or imidazolium salts and amines, such as tertiary amines, pyrazoles and/or imidazole compounds. Examples which may be mentioned here are 4,5-dihydroxymethyl-2-phenylimidazo
  • the hardener can alternatively or additionally be partially or completely replaced by a compound with -[O-SiR 2 -0-] n backbone, also referred to here as a siloxane-based compound.
  • a siloxane-based compound for example, one or more fractions of nanoparticulate filler are added, in particular those which are based, for example, on quartz, SiO 2 .
  • an additive in particular a sintering additive, for example based on an organic phosphorus compound, is also added.
  • the organic phosphorus compound catalyzes the merging and/or sintering of simultaneously present Si0 2 nanoparticles to form vitreous areas in the resin. For example, this creates a glass-like area as a barrier layer in the insulation system.
  • a combination of the sintering additive and the nanoparticulate filler is preferably present in the formulation because, when an electrical discharge is present, this causes vitrified areas to form in the finished duromer, which exhibit a particularly good insulating effect. Recent storage of such ready-hardened insulation materials shows an increase in service life by a factor of 8.
  • a powder paint and/or a wet paint for the automated production of all or at least some components of an insulation system of an electrical rotating machine is disclosed here for the first time.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Isolationssystem für eine elektrische rotierende Maschine, insbesondere Elektromotor und/oder Generator. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Isolationssystems, insbesondere zur Herstellung einer oder mehrerer Komponenten eines mehrere Komponenten umfassenden Isolationssystems. Hier wird ein Pulverlack und/oder ein Nasslack zur automatisierten Herstellung aller oder zumindest einiger Komponenten eines Isolationssystems einer elektrischen rotierenden Maschine offenbart.

Description

Beschreibung
IsolationsSystem für elektrische rotierende Maschinen und Verfahren zur Herstellung dazu.
Die Erfindung betrifft ein IsolationsSystem für eine elektri sche rotierende Maschine, insbesondere Elektromotor und/oder Generator. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen IsolationsSystems, insbesondere zur Herstellung einer oder mehrerer Komponenten eines mehrere Komponenten umfassenden Isolationssystems.
Bekannt sind elektrische rotierende Maschinen im Nieder- und Hochspannungsbereich wie Elektromotoren und elektrische Gene- ratoren. Diese Maschinen zeichnen sich durch eine Vielzahl verschiedener Bauformen und Einsatzbereiche aus, sie werden in sämtlichen Bereichen der Technik, der Industrie, des All tags, des Verkehrswesens, der Medizin und anderen Gebieten verwendet. Der Leistungsbereich elektrischer Maschinen er- streckt sich von Größenordnungen unterhalb von einem Mikro watt z.B. in der MikroSystemtechnik bis hinaus über ein Giga watt, also Tausendmal eine Million Watt, wie beispielsweise im Kraftwerksbereich. Dazwischen liegen Anwendung mit den Traktions- und Antriebsmotoren im Fahrzeugbereich, Schienen- fahrzeugbereich, etc.
Bei elektrischen rotierenden Maschinen im Hoch- und/oder Nie derspannungsbereich liegen Spulen aus gegeneinander bei- spielsweise über Wicklung und/oder Drahtlack isolierte Teil leitern vor. Diese werden aus Rohlingen, wie einem Spulen fisch durch Ziehen und Verdrehen so geformt, dass sie in die Nuten eines Stator-Grundkörpers, also in das Blechpaket des Elektromotors eingelegt werden können. Die Spulen untereinan- der sind über so genannte Wickelköpfe verbunden und durch entsprechende Anschlüsse kontaktiert. Die stromführenden Spulen sind gegeneinander, gegenüber dem Blechpaket und schließlich auch gegenüber der Umgebung durch ein IsolationsSystem isoliert. Das IsolationsSystem umfasst regelmäßig mehrere Komponenten die Hauptisolation, die eine Wicklung, basierend auf Epoxid-, Polyester- oder Polyesteri- midharz imprägnierten Glimmerbändern, ist, sorgt für Isolie rung der unter Hochspannung stehenden Leiter, insbesondere Kupferleiter gegen den geerdeten Stator. Sie besitzt eine ho he Teilentladungseinsetzspannung, was ihr ermöglicht, bei- spielsweise 2,0 - 3,5 kV pro Millimeter dauerhaft abzubauen.
Die wichtigsten Komponenten eines IsolationsSystems sind von innen nach außen betrachtet, die Teilleiterisolation, Haup tisolation, ggf. Außenglimmschutz (AGS) und ggf. Endenglimm- schütz (EGS). Mit „innen" wird dabei die Ebene der Leiter be zeichnet, insbesondere Kupferleiter, die zunächst eine rela tiv dünnen erste IsolationsSchicht besitzen, die Teilleite risolation, die die elektrische Spule bilden. Alle Isolati onssysteme haben eine Hauptisolation und - je nach Bemes- sungsSpannung der elektrischen rotierenden Maschine - darauf einen Außenglimmschutz, -AGS- sowie gegebenenfalls ein En denglimmschutz -EGS.
Im Betrieb der elektrischen rotierenden Maschine entstehen hohe Spannungen, welche in dem Isoliervolumen zwischen dem auf Hochspannung befindlichen Leiterstab und dem auf Erdpo tential liegendem Blechpaket abgebaut werden müssen. An den Kanten der Bleche im Blechpaket entstehen dabei Feldüberhö hungen, die ihrerseits Teilentladungen hervorrufen können. Diese Teilentladungen führen bei Auftreffen auf das Isolati onssystem lokal zu sehr starken Erhitzungen. Dabei werden die organischen Materialien des IsolationsSystems sukzessive in niedermolekulare, volatile Produkte, beispielsweise in C02 zersetzt.
Alle Komponenten des IsolationsSystems, Hauptisolation, AGS und EGS, werden bislang in der Regel als Bänder auf die Teil leiter aufgewickelt, wobei Teile davon, wie der EGS, komplett per Hand appliziert werden. Bei Motoren mit kleineren Bemes sungsspannungen, wie es beispielsweise bei Traktionsmotoren der Fall ist, kann die Hauptisolation nicht als gewickeltes Band, sondern als sogenannter Nutkasten ausgestaltet sein. Die anderen Teile können auch nicht vollkommen automatisiert aufgebracht werden, weil entweder die Stückzahl das Automati sieren nicht wirtschaftlich macht und/oder die Gefahr von Lufteinschlüssen in den Falten die Qualität nicht gewährleis tet, die bei der Wicklung erforderlich ist.
Die Bänder, die gewickelt werden, und die Nutkästen, die in die Nuten eingelegt werden, für die Hauptisolation bestehen in der Regel aus verklebten Glimmerplättchen, die in der Iso lation dazu dienen, den Erosionsweg im IsolationsSystem zu verlängern, also den direkten Weg von der Hochspannungsseite, also den Leitern, hin zum geerdeten Blechpaket, wodurch eine deutlich längere Lebensdauer eines Isolationssystems resul tiert. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist nun, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Hauptisolation, einen AGS und/oder EGS zu schaffen, der ohne oder zumindest Großteils ohne Applikation per Hand herstellbar ist. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Er findung, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen offen bart ist, gelöst.
Dementsprechend ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ei- ne Pulverlackformulierung oder Nasslack zur Herstellung eines IsolationsSystems einer elektrischen Maschine, insbesondere einer rotierenden elektrischen Maschine mit einer Bemessungs spannung von mindestens 700 V, umfassend wenigstens ein härt bares, insbesondere ein bei Raumtemperatur als Pulverlackfor- mulierung fest vorliegendes oder in einem Lösungsmittel zum Nasslack aufbereitetes Harz-Harz- oder Harz-Härter-Gemisch, das - zumindest eine erste Harz-Komponente, die auf Kohlenwas serstoffbasis ist und zumindest zwei Epoxidgruppen auf weist,
- zumindest eine zweite Harzkomponente, die auf Silizium- sauerstoff-Basis ist und insbesondere eine Siloxan- und/oder eine Silsesquioxan- oder eine von diesen Stamm- Verbindungen derivatisierte Verbindung ist und mindes tens eine Hydroxy-Funktionalität aufweist, sowie
- einen Härter und/oder einen initiierenden Katalysator umfasst, wobei mengenmäßig die Harz-Komponente auf Kohlenwas serstoffbasis überwiegt.
Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Her stellung einer oder mehrerer Komponenten eines Isolationssys- tems einer elektrischen rotierenden Maschine, eine Hauptiso lation, eine InnenpotentialSteuerung, einen Außenglimmschutz und/oder einen Endenglimmschutz umfassend, folgende Verfah rensschritte aufweisend:
- Bereitstellung einer Pulverlackformulierung und/oder ei- nes Nasslacks mit einer ersten, kohlenwasserstoff- basierten Harzkomponente und einer zweiten, Silizium- Sauerstoffbasierten Harzkomponente sowie einer Härter und/oder Katalysatorkomponente und anschließende
- Pulverlackierung und/oder Nasslackierung der Spule oder des Stabes zur Herstellung der Hauptisolation
- Ggf. Bereitstellen einer Pulverlackformulierung oder ei nes Nasslacks für den Außenglimmschutzes und/oder des Endenglimmschutzes.
- Ggf. Pulverlackieren und/oder Nasslackieren des Außen- glimmschutzes und/oder des Endenglimmschutzes.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird die Pulverlackierung durch Besprühen des erwärmten Substrats und anschließendes Abkühlen -beispielsweise auf Räumtempera- tur durchgeführt.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird die Nasslackierung durch Applikation, insbesondere durch Be- sprühen und/oder Tauchbaden des Nasslacks und anschließendes Trocknen und/oder Entfernen des Lösungsmittels durchgeführt.
Nach einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des Verfall- rens wird die Pulverlackierung durch Eintauchen des Stabes oder der Spule in ein Pulverlackwirbelbett, die Pulverlack formulierung in Pulverform in einem Luftstrom enthaltend, durchgeführt. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfah rens wird die Bereitstellung der Pulverlackformulierung und/oder des Nasslacks für den AGS und/oder EGS durch die Zu gabe von elektrisch leitfähigem Füllstoff, gegebenenfalls in mehreren Fraktionen vorliegend, ergänzt.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird die Pulverlackierung und/oder die Nasslackierung automati siert durchgeführt. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung um fasst das bei Raumtemperatur fest vorliegende oder in einem Lösungsmittel zum Nasslack aufbereitetes Harz -Harz- oder Harz-Härter-Gemisch noch isolierende Füllstoffe, insbesondere anorganische und/oder mineralische Füllstoffe, in mehreren Fraktionen, insbesondere bezüglich Form und Größe, vorlie gend, sowie Sinterhilfen und/oder Additive, wie Verlaufs- und Entgasungsadditive. Bei der Bereitstellung eines Pulverlacks oder Nasslackes zur Herstellung einer elektrisch teilleitfä higen (EGS) oder leitfähigen Komponente (AGS) des Isolations- Systems werden der Pulverlackformulierung elektrisch leitfä hige Füllstoffe, gegebenenfalls in mehreren Fraktionen, zuge geben.
Ein Harz-Harz-Gemisch liegt auch ohne Härter, aber mit Kata- lysator oder Initiator vor, wenn die Aushärtung zum Duromer über eine Homopolymerisation erfolgen kann. Wenn aber zwei monomer oder oligomer vorliegende unterschiedliche Verbindun gen zum Duromer aushärten, dann liegt ein Harz-Härter-Gemisch vor, das eine Additionspolymerisierung durchläuft, die einen Härter in stöchiometrischer Menge erfordert.
Die erste bei Räumtemperatur beispielsweise fest oder in ei- nem Lösungsmittel zum Nasslack aufbereitete vorliegende Harz komponente ist, wie gesagt, Kohlenwasserstoff-basiert mit zu mindest zwei Epoxidgruppen, beispielsweise ist diese Harzkom ponente ausgewählt aus der Gruppe der Epoxidharze, Di- glycidyletherharze, Novolake und/oder cycloaliphatisehen Epo- xidharze, sowie beliebige Gemische der genannten Verbindun gen.
Insbesondere handelt es sich dabei um eine oder mehrere mono mere oder oligomere Harzkomponente(n) mit einem Kohlenstoff - also -[-CR1R2-]n-Einheiten umfassenden Rückgrat. Dabei steht R für -Wasserstoff, -Aryl, -Alkyl, -Heterocyclen, Stickstoff, Sauerstoff und/oder Schwefel substituierte Aryle und/oder Al kyle. Insbesondere eignen sich beispielsweise Epoxidfunktio- nalisierte Komponenten, wie Bisphenol-F-Diglycidylether (BFDGE) oder Bisphenol-A-Diglycidylether (BADGE), Polyurethan sowie Mischungen hieraus. Bevorzugt sind Epoxidharze basie rend auf Bisphenol-F-Diglycidylether (BFDGE), Bisphenol-A- Diglycidylether (BADGE), epoxidierte Novolake oder Mischungen hieraus.
Beispielsweise umfasst die erste Harzkomponente eine monomere und/oder oligomere, insbesondere epoxidierte Novolak- Abmischung mit Bisphenol A und/oder Bisphenol F- Diglycidylether, insbesondere mit kettenverlängertem Bi- sphenol-A und/oder -F, auch in Form einer di- oder höher- epoxidisehen Kohlenwasserstoff-basierten Harz-Komponente.
Insbesondere bevorzugt ist, dass alle Epoxidharzkomponenten zwei oder mehr Gycidylester- und/oder Glycidylether- und/oder Hydroxylfunktional!täten umfassen und/oder dass die Harzfor mulierung wenigstens eine als Härter fungierende Verbindungen auf Dicyandiamid- und/oder (Poly)-Aminbasis und/oder amino- und/oder alkoxyfunktionaler Alkyl-/Aryl-Polysiloxanbasis, um fasst.
Die zweite bei Raumtemperatur beispielsweise fest oder in ei nem Lösungsmittel zum Nasslack aufbereitete vorliegende Harz komponente umfasst bevorzugt zumindest eine monomere und/oder oligomere Harzkomponente auf Silizium-Sauerstoff-Basis, wobei die Bezeichnung „Harz" bereits impliziert, dass es sich dabei um eine organische Silizium-Sauerstoff-Verbindung handelt. Diese basiert beispielsweis auf Alkyl- und/oder Aryl- Polysiloxan und/oder auf Silsesquioxan.
Gemäß der Erfindung ist als zweite Harzkomponente für die Pulverlackformulierung ein Harz und/oder ein Harzgemisch vor gesehen, bei dem zumindest ein Teil des zu einem Duromer här tenden Harz-Gemisches und/oder Harz-Härter-Gemisches für das IsolationsSystem eine Siloxan-haltige Verbindung ist, die im fertig ausgehärteten Duromer ein -[0-SiR2-0]n-Rückgrat bil det.
Dabei steht „R" für alle Arten organischer Reste, die sich zur Härtung und/oder Vernetzung zu einem für ein Isolations system brauchbaren Isolationsstoff eignen. Insbesondere steht R für -Aryl, -Alkyl, -Heterocyclen, Stickstoff, Sauerstoff und/oder Schwefel substituierte Aryle und/oder Alkyle.
Insbesondere kann R gleich oder ungleich sein und für folgen de Gruppen stehen:
- Alkyl, beispielsweise -Methyl, -Propyl, -isoPropyl, - Butyl, -isoButyl, -tertButyl, -Pentyl, -isoPentyl, - Cyclopentyl sowie alle weiteren Analoge bis zu Dodecyl, also das Homologe mit 12 C-Atomen;
- Aryl, beispielsweise: Benzyl-, Benzoyl-, Biphenyl-, To- luyl-, Xylole sowie vergleichbare Aromaten, insbesondere beispielsweise alle Arylreste, mit einem oder mehreren Ringen, deren Aufbau der Definition von Hückel für die Aromatizität entspricht, - Heterozyklen: insbesondere schwefelhaltige Heterozyklen wie Thiophen, Tetrahydrothiophen, 1,4-Thioxan und Homolo ge und/oder Derivate davon,
- Sauerstoffhaltige Heterozyklen wie z.B. Dioxane, - Stickstoffhaltige Heterozyklen wie z.B. solche mit -CN, -
CNO,-CNS, -N3 (Azid) Substituenten am Ring oder an den Ringen und
- Schwefel substituierte Aryle und/oder Alkyle: z.B. Thio phen, aber auch Thiole.
Die Hückel-Regel für aromatische Verbindungen bezieht sich auf den Zusammenhang, dass planare, cyclisch durchkonjugierte Moleküle, die eine Anzahl von P-Elektronen, die sich in Form von 4n + 2 darstellen lässt, umfasst, eine besondere Stabili- tät besitzen, die auch als Aromatizität bezeichnet wird.
Beispielsweise wird die zur Polymerisation funktionalisierte monomere oder oligomere zweite Harz-Komponente, die ein -[O- S1R2-O]n-Rückgrat hat mit einer oder mehreren, -[-CR1R2-]n- Rückgrat enthaltender erster Harz-Komponenten, ausgewählt aus der Gruppe folgender Verbindungen zum Harz-Gemisch und/oder Harz-Härter-Gemisch kombiniert: undestillierter und/oder destillierter, ggf. reaktivverdünn ter Bisphenol-A-Diglycidylether, undestillierter und/oder destillierter, ggf. reaktivverdünnter Bisphenol-F-
Diglycidylether, hydrierter Bisphenol-A-Diglycidylether und/oder hydrierter Bisphenol-F-Diglycidylether, reiner und/oder mit Lösemitteln verdünnter Epoxy-Novolak und/oder Epoxy-Phenol-Novolak, cycloaliphatische Epoxidharze wie 3,4- epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexylcarboxylat z.B.
CY179, ERL-4221; Celloxide 2021P, Bis(3,4- epoxycyclohexylmethyl)adipat, z.B. ERL-4299; Celloxide 2081, Vinylcyclohexendiepoxid, z.B. ERL-4206; Celloxide 2000, 2- (3,4-epoxycyclohexyl-5,5-spiro-3,4-epoxy)-cyclohexan-meta- dioxan z.B. ERL-4234; Hexahydrophthalsäurediglycidylester, z.B. CY184, EPalloy 5200; Tetrahydrophthalsäurediglycidyl- ether z.B. CY192; glycidierte Aminoharze (N,N-Diglycidyl- para-glycidyloxyanilin z.B. MY0500, MY0510, N,N-Diglycidyl- meta-glycidyloxyanilin z.B. MY0600, MY0610, N,N,N',N'- Tetraglycidyl-4,4'-methylendianilin z.B. MY720, MY721, MY725, sowie beliebiger Mischungen der vorgenannten Verbindungen.
Als zur Polymerisation funktionalisierte monomere oder Oligo mere Komponente, die ein -[O-SiR2-0-]n-Rückgrat hat eignen sich glycidyl-basierte und/oder epoxy-terminierte Aryl- und/oder Alkyl-Siloxane, wie beispielsweise glycidoxy funkti onalisierte, insbesondere glycidoxyterminierte Siloxane. So eignet sich beispielsweise ein Siloxan wie das 1,3-Bis(3- glycidyl-oxypropyl)tetramethyldisiloxan, das DGTMS, und/oder das glycidoxyterminierte Phenyl-Dimethylsiloxan und/oder Phe nyl-Methyl-Siloxan in monomerer und/oder in oligomerer Form, sowie in beliebigen Mischungen und/oder in Form von Deriva ten. Anstelle der 4 Methylsubstituenten am Silizium im DGTMS können verschiedene, gleiche oder ungleiche beliebige Alkyl- und/oder Aryl-Substituenten stehen. Eine dieser bereits ge testeten Komponenten ist als „Silres© HP® 1250© handelsüb lich. Es hat sich gezeigt, dass zumindest zweifach funktiona lisierte Siloxane, die zur Herstellung von Duroplasten ein- setzbar sind, hier geeignet sind.
Handelsüblich ist beispielsweise folgende, hydroxy- funktionalisierte Polyphenylsiloxanbasierte und hier geeig nete Verbindung der Wacker AG „Silres -603"
Des Weiteren eignet sich als zweite Harzkomponente in der Pulverlackformulierung auf Silizium-Sauerstoff-Basis ein oder mehrere Silsesquioxane oder Derivate des Silsesquioxan. Das ist eine organische Silizium-Sauerstoff-basierte Verbindung mit käfigartiger oder polymeren Strukturen die ein -[O-SiR2- 0-]n-Rückgrat haben, wie die unten gezeigten Beispiele:
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insbesondere kann R hierbei gleich oder ungleich sein und für folgende Gruppen stehen:
- Alkyl, beispielsweise -Methyl, -Propyl, -isoPropyl, - Butyl, -isoButyl, -tertButyl, -Pentyl, -isoPentyl, - Cyclopentyl sowie alle weiteren Analoge bis zu Dodecyl, also das Homologe mit 12 C-Atomen;
- Aryl, beispielsweise: Benzyl-, Benzoyl-, Biphenyl-, To- luyl-, Xylole sowie vergleichbare Aromaten, insbesondere beispielsweise alle Arylreste, mit einem oder mehreren Ringen, deren Aufbau der Definition von Hückel für die Aromatizität entspricht,
- Heterozyklen: insbesondere schwefelhaltige Heterozyklen wie Thiophen, Tetrahydrothiophen, 1,4-Thioxan und Homolo ge und/oder Derivate davon,
- Sauerstoffhaltige Heterozyklen wie z.B. Dioxane,
- Stickstoffhaltige Heterozyklen wie z.B. solche mit -CN, - CNO,-CNS, Substituenten am Ring oder an den Ringen und
- Schwefel substituierte Aryle und/oder Alkyle: z.B. Thio phen, aber auch Thiole.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Formu lierung des Weiteren noch Füllstoffe, insbesondere sphärisch geformte und/oder unregelmäßig geformte Füllstoffe. Die Füll stoffe können kristallin und/oder amorph vorliegen.
Bevorzugt sind die Füllstoffe auf Siliziumdioxid-Basis, bei- spielsweise enthalten sie Quarzgut, Quarzmehl und/oder Quarz glas.
Es wurde erkannt, dass die Resistenz der sprühbaren Pulver lackformulierung und/oder Nasslacklackierung durch Zugabe von Füllstoffen, insbesondere von mineralischen oder/auch synthe tischen Füllstoffen, wie Quarzmehl, Quarzgut, Glasmehl, in einem Masseanteil von beispielsweise 5 Gew% bis 65 Gew% er höht wird, wenn zumindest ein Teil des Harzes durch eine tei lentladungsresistente Komponente ausgetauscht wird. Als tei lentladungsresistente Komponente wird dabei die zweite, auf Silizium anstelle von Kohlenstoff basierende Harzkomponente bezeichnet. Diese kann entweder ein Polysiloxan oder eine Silsesquioxan respektive ein oder ein Gemisch mehrerer Deri vate dieser Silizium-haltigen Verbindungen mit Sauerstoff sein.
So kann auf den Einsatz der zum Band verklebten großen Glim merplättchen verzichtet und das Isolationsmaterial in Form einer Pulverlackformulierung oder Nasslacklackierung automa tisiert durch Versprühen und/oder Eintauchen appliziert und hergestellt werden.
Teilentladungsresistente Harze und Harzmischungen sind bei spielweise solche, in denen als polymerer Bestandteil eine Komponente mit einem -[-O-S1R2-O-]n- Rückgrat als Nebenbe standteil des Harz-Gemisches und/oder Harz-Härter-Gemisches, also zu weniger als 50mol%, insbesondere zu weniger als 40 mol% und ganz bevorzugt zu weniger als 30 mol% des polymeri sierbaren Harz-Gemisches und/oder Harz-Härter-Gemisches vor liegt. Als Härter eignen sich kationische und anionische Härtungska talysatoren, wie beispielsweise organische Salze, wie organi sche Ammonium-, Sulphonium-, Iodonium-, Phosphonium- und/oder Imidazolium-salze und Amine, wie tertiäre Amine, Pyrazole und/oder Imidazol-Verbindungen. Beispielhaft genannt sei hier 4,5-Dihydroxymethyl-2-phenylimidazol und/oder 2-Phenyl-4- methyl-5-hydroxymethylimidazol. Es können aber auch oxiran- gruppenhaltige Verbindungen, wie beispielsweise Glycidylether als Härter eingesetzt werden. Ebenso gut wie das Basisharz kann auch der Härter alternativ oder ergänzend durch eine Verbindung mit -[O-SiR2-0-]n-Rückgrat, hier auch Siloxanba sierte Verbindung genannt, teilweise oder ganz ersetzt wer den. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden bei spielsweise eine oder mehrere Fraktionen an nanopartikulärem Füllstoff zugesetzt, insbesondere solche, die beispielsweise auf Quarz, Si02, basieren. Dabei wird nach einer vorteilhaften Ausführungsform der For mulierung zusätzlich ein Additiv, insbesondere ein Sinterad ditiv, beispielsweise basierend auf einer organischen Phos phorverbindung, zugesetzt. Die organische Phosphorverbindung katalysiert das Verschmelzen und/oder Versinterung gleichzei- tig vorliegender Si02-Nanopartikel zu glasartigen Bereichen im Harz. Beispielsweise wird dadurch ein glasartiger Bereich als Barriereschicht im IsolationsSystem erzeugt.
Bevorzugt liegt in der Formulierung eine Kombination aus dem Sinteradditiv und dem nanopartikulären Füllstoff vor, weil sich dadurch beim Vorhandensein einer elektrischen Entladung verglaste Bereiche im fertigen Duromer ausbilden, die eine besonders gute IsolationsWirkung zeigen, bilden. Neueste Aus lagerungen derartiger fertig gehärteter Isolationsstoffe zei- gen eine Lebensdauererhöhung um den Faktor 8.
Durch die Herstellung einer Hauptisolation und/oder eines Au ßenglimmschutzes u und/oder eines Endenglimmschutzes durch Versprühen eines Pulverlacks und/oder eines Nasslacks wird die Applikation von Glimmerband per Hand überflüssig und die Herstellung lässt sich problemlos automatisieren.
Hier wird erstmals ein Pulverlack und/oder ein Nasslack zur automatisierten Herstellung aller oder zumindest einiger Kom ponenten eines IsolationsSystems einer elektrischen rotieren den Maschine offenbart.

Claims

Patentansprüche
1. Pulverlackformulierung oder Nasslack zur Herstellung ei nes Isolationssystems einer elektrischen Maschine, insbeson- dere einer rotierenden elektrischen Maschine mit einer Bemes sungsspannung von mindestens 700 V, umfassend wenigstens ein härtbares, insbesondere ein bei Raumtemperatur als Pulver lackformulierung fest vorliegendes oder in einem Lösungsmit tel zum Nasslack aufbereitetes Harz-Harz- oder Harz-Härter- Gemisch, das
- zumindest eine erste Harz-Komponente, die auf Kohlenwas serstoffbasis ist und zumindest zwei Epoxidgruppen auf weist,
- zumindest eine zweite Harzkomponente, die auf Silizium- sauerstoff-Basis ist und insbesondere eine Siloxan- und/oder eine Silsesquioxan- oder eine von diesen Stamm- Verbindungen derivatisierte Verbindung ist und mindes tens eine Hydroxy-Funktionalität aufweist, sowie
- einen Härter und/oder einen initiierenden Katalysator umfasst, wobei mengenmäßig die Harz-Komponente auf Kohlenwas serstoffbasis überwiegt.
2. Pulverlackformulierung oder Nasslack nach Anspruch 1, wo bei die erste Harzkomponente, die Kohlenwasserstoff basiert ist, ein monomeres und/oder Oligomeres diepoxidiertes Epoxid harz, cycloaliphatisches Epoxidharz, Diglycidyletherharz und/oder epoxidiertes Novolakharz umfasst.
3. Pulverlackformulierung oder Nasslack nach einem der An- Sprüche 1 oder 2, wobei die zweite Harzkomponente auf Silizi um-Sauerstoff-Basis eine monomere und/oder oligomere gly- cidyl-basierte und/oder epoxy-terminierte und/oder Hydroxy- terminierte und/oder hydroxy-funktionalisierte Aryl- und/oder Alkyl-Siloxan-Verbindung umfasst.
4. Pulverlackformulierung oder Nasslack nach einem der vor hergehenden Ansprüche, wobei die zweite Harzkomponente auf Silizium-Sauerstoff-Basis eine monomere und/oder oligomere Silsesquioxan-Verbindung umfasst.
5. Pulverlackformulierung oder Nasslack nach einem der vor- hergehenden Ansprüche, die Füllstoffe umfasst.
6. Pulverlackformulierung oder Nasslack nach Anspruch 5, wo bei die Füllstoffe zumindest zum Teil elektrisch leitfähig sind.
7. Pulverlackformulierung oder Nasslack nach einem der An sprüche 5 oder 6, wobei die Füllstoffe zumindest zum Teil elektrisch isolierend sind.
8. Pulverlackformulierung oder Nasslack nach einem der vor hergehenden Ansprüche, die Additive und/oder Sinterhilfen um fasst.
9. Pulverlackformulierung oder Nasslack nach einem der vor- hergehenden Ansprüche, in der ein kationischer Härter vor liegt, der zumindest eine Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe der organischen Salze, wie organische Ammonium-, Sulp- honium-, Iodonium- und/oder Phosphoniumsalze umfasst.
10. Pulverlackformulierung oder Nasslack nach einem der vor hergehenden Ansprüche 1 bis 8, in der ein anionischer Härter vorliegt, der zumindest eine Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe der Imidazolium-salze und Amine, wie tertiäre Amine, und/oder aus der Gruppe der Cyanamide, wie z.B. Dicyanamid, und/oder Pyrazole und/oder Imidazol-Verbindungen umfasst.
11. Verfahren zur Herstellung einer oder mehrerer Komponenten eines IsolationsSystems einer elektrischen rotierenden Ma schine, eine Hauptisolation, einen Außenglimmschutz und/oder einen Endenglimmschutz umfassend, folgende Verfahrensschritte aufweisend: a) Bereitstellung einer Pulverlackformulierung und/oder eines Nasslacks mit einer ersten, kohlenwasserstoff-basierten Harz- komponente und einer zweiten, Silizium-Sauerstoffbasierten Harzkomponente sowie einer Härter und/oder Katalysatorkompo nente und anschließende b) Pulverlackierung und/oder Nasslackierung der Spule oder des Stabes zur Herstellung der Hauptisolation und/oder des Außenglimmschutzes und/oder des Endenglimm schutzes
- Gegebenenfalls Wiederholung der Schritte a) und b) bis eine vorgegebene Isolationsdicke erreicht ist.
12. Verfahren nach Anspruch 11, den zusätzlichen Verfahrens schritt der Bereitstellung einer elektrisch leitfähigen Pul verlackformulierung oder eines elektrisch leitfähigen Nasslacks durch Einbringen eines elektrisch leitfähigen Füll- Stoffes in die Pulverlackformulierung und/oder in den Nass lack umfasst.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei die Pulverlackierung durch Versprühen der Pulverlackformulierung und/oder des Nasslacks auf das erwärmte Substrat und an schließendes Abkühlen erfolgt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei die Pulverlackierung durch Eintauchen in einer Pulverlackwirbel- bett erfolgt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, das automa tisiert durchgeführt wird.
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