WO2023117588A1 - Isolationssystem, verwendung eines polymerblends und elektrische maschine mit isolationssystem - Google Patents

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insulation
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Steffen Lang
Marek Maleika
Niels Müller
Florian Schemmel
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Siemens Aktiengesellschaft
Siemens Mobility GmbH
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    • C08G77/455—Block-or graft-polymers containing polysiloxane sequences containing nitrogen-containing sequences containing polyamide, polyesteramide or polyimide sequences

Definitions

  • the invention generally relates to the field of insulation of electrical conductors against partial discharge - "TE" - in the medium and high voltage range.
  • the invention relates to an insulation system for an electrical machine, in particular a rotating electrical machine with a stator, such as an electric motor and/or a generator, with improved partial discharge resistance of the polymeric insulation system components.
  • Electrical machines with a stator such as motors and generators in the medium and high voltage range, have electrical conductors, a main insulation, winding insulation with partial conductor insulation and a laminated stator core. The purpose of the main insulation is to electrically insulate the conductors from each other, from the stator core and from the environment.
  • “treeing” channels can form in the mica-containing main insulation due to electrical partial discharges (PDs). Electrical breakdown through the main insulation can occur as a result of the "treeing" channels.
  • PDs electrical partial discharges
  • “medium and high voltage range” means electrical power engineering that works with high voltage 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 an insulation system against partial discharges has hitherto been achieved mainly through the use of layered silicate, in particular mica, in the main insulation, which has a high resistance to partial discharges.
  • the mica is processed into mica paper in the form of platelet-shaped mica particles with a conventional particle size of several 100 micrometers up to several millimeters the mica particles result in the surface insulation material in the form of a mica broad sheet.
  • 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.
  • the PD resistance of the insulation is increased by the Addition of layered silicates, mainly mica, increased.
  • the mica is applied in the corresponding insulation systems in the form of paper - in the case of surface insulation materials in the form of laminates - i.e. the mica paper is applied to carrier foils or carrier fabrics or carrier papers such as calendered mAramid - e.g. in the form of Nomex® to improve its mechanical strength and to be able to process the mica paper better.
  • the paper is connected to a glass fabric carrier and/or a PET and/or PI film and cut into narrow rolls which are then wound around the spool.
  • mica can be wrapped around the sub-conductor, for example in the form of a prepreg, and in this way the PD resistance of the sub-conductor insulation can be improved.
  • all of these mica laminates are impregnated with an impregnating resin and solidified after application.
  • insulation systems with slot linings are also used in traction motors, which, due to the requirements, have hitherto been made of mica-containing laminates with, for example, mAramid and polyimide as the carrier film.
  • it is operated at the highest possible current densities, which, however, also result in significant losses in the form of heat.
  • Traction motors are also operated in particular at temperatures above 150°C.
  • DE 102020 208760 discloses a surface insulation material made from a copolymer of a polyetherimide with a siloxane, but this shows a softening point at elevated temperatures of up to 220° C., which can occur in traction motors. This is also because in the co- polymer made from polyetherimide and siloxane due to the less polar side groups of the siloxane, which act as “impurities” compared to the pure polyetherimide, causing the glass transition temperature to drop.
  • polyetherimide-siloxane copolymers can be produced flatly as a film by suitable extrusion processes, which in turn have sufficient elasticity to be used, inter alia, as winding tapes—completely cut—but as winding tapes in the operating temperature range They cannot be used, for example, in traction motors with temperatures above 150°C, in particular above 170°C.
  • PEEK, PI, PAI, PPS, PEI, polyesterimide (duromer) and similar materials are conventionally used for extruded wire insulation or for braided, strip-shaped wire insulation – not the solvent-based wire enamels.
  • insulation systems that include injection-moulded parts, such as tooth coil formers.
  • the conventionally used polymeric components of insulation systems are only slightly or not at all PD-resistant to electrical discharges.
  • the PD resistance of the insulation systems usually comes from the mica used.
  • the thermoplastic components of conventional insulation systems are basically not PD-resistant without mica.
  • nanoscale particles which are dispersed in the impregnation agent prior to impregnation, is known to improve the partial discharge resistance of a wound main insulation with synthetic resin – i.e. polymer encapsulation.
  • the presence of the particles shortens the pot life of the synthetic resin or the impregnating agent, which is reflected in particular in a progressive polymerization of the synthetic resin before impregnation.
  • the object of the present invention is therefore a material for wire extrusion, in particular for wire extrusion of any flat or round wires and/or plug-in coils and/or so-called hairpin flat wires for stators in electric motors and generators and/or in the main insulation, to provide. These are used in particular in traction motors for electric vehicles.
  • the object of the present invention is to implement or increase the PD resistance of the polymer components of an insulation system and to create a replacement for mica in insulation systems in general and for mica tapes and/or mica paper in particular, and thus a polymer material for wire extrusion, injection molding, compression molding and/or to provide a surface insulation material which shows TE resistance and whose glass transition temperature and/or melting point is at least above 150° C., preferably higher and/or which has a temperature index of 180° C. or—if possible—even higher.
  • This object is achieved by the subject matter of the present invention as disclosed in the description, the figures and the claims.
  • the subject matter of the present invention is an insulation system, a material in the form of a - solid surface insulation material, and/or - material for wire insulation by means of extrusion and/or - injection-molded part and/or - compression-molded part, characterized in that the material is resistant to partial discharges , at least partially replaces the mica content in the insulation system and is a polymer blend of at least three blend partners, in which at least one copolymer based on polyetherimide and siloxane is blended with at least two high-temperature thermoplastics, with at least one of the high-temperature thermoplastics being present in semi-crystalline form.
  • the invention also relates to the uses of this polymer blend defined above.
  • this polymer blend by means of wire extrusion as partial conductor insulation or winding insulation and/or as main insulation for hairpin coils.
  • a fixation—for example in the groove—by casting, impregnating, sprinkling, dipping and/or by injection molding with a synthetic resin is preferably also provided.
  • a partial conductor insulated by wire extrusion can be fixed in the slot by injection molding.
  • Another exemplary use of the polymer blend is in the injection molding process, such as a stator of an electric motor or generator.
  • the use of the polymer blend in a compression molding process for producing the insulation system and/or parts thereof, in particular a stator of an electric motor or generator, is also advantageous.
  • the use of the polymer blend in the form of a film such as when used as a solid insulating material, in particular in the form of a strip, as part of a winding strip--e.g. partial conductor insulation--called winding insulation and/or main insulation is the subject of the invention. dung. Furthermore, the use of the polymer blend in the form of a laminate—particularly as a surface insulating material, for example for slot linings in a stator—also without further fixing or stabilization by, for example, casting—is also the subject of the present invention.
  • the present invention also relates to the use of the polymer blend as at least part of a winding and as an insulation system impregnated and cured in the VPI process in the form of a strip-shaped film and/or a strip-shaped laminate. With the VPI, the tape surrounding the polymer blend is then impregnated with synthetic resin.
  • polyetherimide—PEI— is present in the polymer blend—for example as an amorphous—high-temperature “HT” thermoplastic blend partner.
  • a polyether ketone and/or a mixture of different polyether ketones is present in the polymer blend as a partially crystalline high-temperature “HT” thermoplastic.
  • Polyetherketones are polymers with alternating ketone (R-CO-R) and ether (ROR) functionalities in their molecular backbone.
  • R-CO-R ketone
  • ROR ether
  • polyaryletherketones -PAEK- in which there is an aryl group linked in the (1,4) position between the functional groups, are well suited.
  • the rigid backbone of the polyetherketones and in particular the polyaryletherketones gives the materials very high glass transition temperatures Tgs and/or melting points in comparison to other plastics, which is why they are used according to the invention as at least one blend partner of the insulation polymer blend comprising at least three blend partners. Materials to replace mica by TE-resistant polymer material can be used.
  • Suitable polyether ketones are in particular: - poly (ether ether ketone) - PEEK-, - poly (ether ketone ketone) - PEKK-, - poly (ether ether ether ketone) - PEEEK -, - poly (ether ether ketone ketone) - PEEKK-, - poly (ether ether ketone ketone) -PEKEKK- and /or - Polyaryletherketon - PAEK - and any combinations and / or mixtures of the above compounds.
  • the polyetherketones mentioned can be mixed and combined as desired with one another and with the other two blend partners, in particular also with the copolymer based on polyetherimide and siloxane.
  • each of the at least three polymer blend partners - the at least one copolymer, the two thermoplastics, of which at least one is partially crystalline - each in a concentration between 1 and 70% by weight in the polymer lymer blend are included.
  • a mixture of 3 blend partners, a copolymer, in particular a siloxane-polyetherimide copolymer, with at least one partially crystalline thermoplastic in the blend results in a stable mixture that can be used as an unfilled material for producing insulation and is particularly suitable for film production.
  • a partially crystalline blend partner contains spherulites, which are a spherical superstructure unit typical of thermoplastics.
  • the term spherulite generally designates a globular and/or radiating crystal aggregate, with spherulites themselves not being crystals in the crystallographic sense, but aggregates, ie accumulations of very many smaller crystalline areas. These can be detected by X-ray diffraction.
  • spherulites In a polymeric superstructure with spherulites, crystallites are arranged radially symmetrically and connected via amorphous intermediate areas. Since spherulites contain crystalline areas and are therefore birefringent, they can be detected using polarization microscopy. The light microscopically detectable size is between 1 ⁇ m and several 100 ⁇ m. In the case of very small spherulites, the pattern described above can no longer be seen under the microscope. One recognizes only a diffuse scattering of the light. In the present case, purely physical mixtures of two or more different polymers are referred to as “blend material”, “polymer blend” or “blend” for short. The properties of the resulting plastics differ from those of the original polymers.
  • a “surface insulation material” refers to a material that is solid under normal conditions and is present, for example, as a foldable material, such as in particular in the form of a laminate and/or a foil.
  • the laminate is preferably at least two layers, the layers—again preferably—being connected by laminating adhesive. There can be at least two layers of the same material, but also different materials.
  • All or some layers of such a laminate that forms a surface insulation material can be made from one or more different exemplary embodiments of a polymer blend according to the invention and/or a combination of at least one layer of a polymer blend according to the invention combined with a layer of one other material, which is used, for example, to cover the polymer blend when manufacturing the insulation system, are present in the laminate.
  • the “other material” in a laminate that forms a surface insulation material can be, for example, a laminating paper as is used for slot linings according to the prior art, such as an aramid paper, such as made of mAramid .
  • a “surface insulation material” can also be in the form of a pliable, flexible foil, which is preferably a single layer, but may also be multi-layered, i.e. a pliable, flexible laminate of several layers.
  • a “surface insulation material” can also be in the form of a pliable, flexible foil, which is preferably a single layer, but may also be multi-layered, i.e. a pliable, flexible laminate of several layers.
  • polymers such as can be used here as blend partners in addition to the copolymer based on polyetherimide and siloxane
  • DIN-standard upper-case letter sequences that largely correspond to the US American Standard ASTM are designated as abbreviations.
  • PEK stands for polyetherketone and PEI for polyetherimide.
  • Copolymers in turn, refer to polymers that are composed of two or more different types of monomer units.
  • the solid surface insulation material which can be used, for example, as a replacement for a mica tape of a winding tape insulation for the VPI process, is present as a film or laminate in a wide roll or as a tape in a narrow roll or as a strip-shaped section of a film or laminate .
  • This--for example--strip of a polymer blend according to the invention can be impregnated and cured in a VPI process with a synthetic resin, for example a duromer, and then fixed in the arrangement in the insulation system, for example for the main insulation of a stator.
  • the use of one or more sulfur-containing polymers as additional blending partners - either partially crystalline or amorphous - has proven to be suitable, among other things because film production and also processing by extrusion without significant segregation with the remaining blending partners is possible and the partial discharge resistance is further improved.
  • the partially crystalline sulphur-containing polymers such as polyphenylene sulphide (PPS) are also primarily used to increase the partial discharge resistance, but also because of the spherulites in the Blends that bring about a certain residual strength above the Tg, so that the polymer components of the insulation system do not drip off at operating temperatures above the Tg, but remain rubber-like in the insulation system and solidify again when it cools down.
  • PPS polyphenylene sulphide
  • a sulfur-containing polymer compound selected from the class of sulfur-containing polymers such as the polysulfones -PSU -, including, for example, polyphenylene sulfide -PPS, polyphenylene sulfone - PPSU, polyether sulfone - PESU and / or polyarylene sulfone - PAS, polybisaryl sulfone, such as poly bisphenylene sulfone, etc. may be added to the polymer blend according to the invention alone or in any combination.
  • the amount of added sulfur-containing polymer is in the range between 1% by weight and 25% by weight, in particular between 3% by weight and 20% by weight and particularly preferably between 4% by weight and 15% by weight.
  • All of the sulfur-containing high-temperature thermoplastics mentioned can be used on their own and/or in any desired combinations and mixtures.
  • the three blend partners, copolymer, and - for example - PEI and PEEK in approximately equal mass fractions in the blend, for example all three partners in the range between 15% by weight and 33% by weight, in particular between 20% by weight and 30% by weight, particularly preferably between 23% by weight and 27% by weight.
  • the copolymer based on polyetherimide and siloxane is present in the smallest proportion, the two thermoplastic blend partners are then both in higher proportions by mass, which in turn can be the same or different.
  • polyetherimide-siloxane based copolymer is present in at least 15% by weight of the polymer blend, PEI in at least 17 to 20% by weight and PEK, eg PEEK, in at least 35% by weight.
  • PEI is present in at least 12% by weight, copolymer based on polyetherimide and siloxane in at least 20% by weight and PEEK in at least 33% by weight.
  • the polymer blend can also be filled, with reinforcing fillers such as, for example, reinforcing fibers, in particular glass fibers, for example in the form of short glass fibers, being able to be present as filler.
  • reinforcing fillers such as, for example, reinforcing fibers, in particular glass fibers, for example in the form of short glass fibers, being able to be present as filler.
  • the “copolymer based on polyetherimide and siloxane” also has potential in unblended form as an insulating material in the medium and high voltage range with regard to resistance to partial discharges.
  • the softening point of the copolymer alone as a surface insulation material is only slightly above 170.degree. C., so that it cannot be used unchanged as a surface insulation material in an insulation system at higher operating temperatures, particularly at operating temperatures above 180.degree.
  • a polymer blend according to a preferred embodiment of the invention ie a blend of a copolymer based on polyetherimide and siloxane with two thermoplastics, here in particular PEI and PEEK, in an amount of, for example, 10 to 90% by weight of PEI and PEEK together, the copolymer results in such an improved surface insulation material, which can be processed as a film and in a temperature range - meaning at an operating temperature - of an electrical machine insulated therewith of, for example, 170°C up to 250°C can be used.
  • drive motors and traction motors are electrical machines that come into consideration because they are operated at high temperatures, i.e. temperatures above 155°C.
  • the engine operating temperature is preferably below the Tg of the polymer blend used according to the present invention.
  • a polymer blend according to one exemplary embodiment for example with 25% by weight of copolymer, 35% by weight of PEI and 40% by weight of PEEK, makes it possible to produce a film as a mica-free surface insulating material.
  • the solid insulating materials that have hitherto been used as winding tape insulation and which basically contain mica can be produced here without layered silicate and in particular without mica and above all with the same good or even better quality.
  • the sustainability aspect should also be mentioned in particular, since "mica" is a natural substance.
  • the invention makes it possible to conserve a natural substance that is mainly degraded by hand because a polymer blend according to the invention is suitable as a surface insulation material and as a solid insulation material and has a high resistance to partial discharges for motors in the above-mentioned heat classes up to 250°C has been proven.
  • the partial discharge resistance is evaluated using a surface profilometer by determining the specific erosion volume after electrical ageing. 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 copolymer based on polyetherimide and siloxane 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 0% to 30% atomic percent, in particular from 0% to 25%, in particular 0% to 15%.
  • the polyetherimide-siloxane copolymer is a block copolymer of general formula (I) where - R 1-6 are the same or different and selected from the group 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 4-valence linking group 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
  • one or more additives can be present in the copolymer.
  • one or more metal oxide(s) such as TiO 2 and/or those with one of the following molecular formulas Na 8 Al 6 Si 6 O 24 S 4 and/or Na 6 Al 6 Si 6 O 24 S 2 .
  • Further additives can be Fe 2 O 3 and/or MnFe 2 O 4 and/or electrically non-conductive carbon-based fillers, such as carbon black, suitable additives.
  • the additive particles can be present partially or completely, over the entire surface or over part of the surface, equipped with an SiO 2 coating in the surface insulation material, ie the part of the insulation system comparable to the mica tape of the insulation systems customary up to now.
  • additives also inhibit oxidation, so that the heat class and/or the temperature index of a surface insulation material produced with them can be further increased.
  • Additives are mixed in, for example, during the production of the blend.
  • Other additives, leveling agents, color pigments, quartz particles and others can be added to the blend and/or the impregnating agent to produce the insulation system.
  • siloxane is basically understood to mean a compound with at least one —Si—O—Si unit, in particular those which form an Si—O—Si backbone in the polymer, as is customary in silicones.
  • a polydialkylsiloxane such as polydimethylsiloxane or polydiarylsiloxane such as polydiphenylsiloxane are simple forms of a siloxane.
  • siloxanes such as a polyarylalkylsiloxane.
  • the well-known thermoplastic is known as polyetherimide or "PEI", which can be used in a variety of ways because it is resistant to high temperatures and is classified as flame-retardant. This in particular because it shows low smoke development, if it does burn. PEI has high strength, also high dielectric strength, low weight and is resistant to UV light and gamma rays.
  • PEI is commercially available as "ULTEM®".
  • the polyetherimide is used once to form the copolymer with siloxane, ie the monomers of the polyetherimide and the monomers of the siloxane are cured together to form a polymer.
  • PEI is used to produce the polymer blend, independently of the copolymer used, when mixing the copolymer to form the polymer blend according to an advantageous embodiment of the invention.
  • Polyetheretherketone PEEK is a high-temperature-resistant thermoplastic and belongs to the polyaryletherketone group of substances. PEEK is solid at room temperature with a melting point of 335°C.
  • PEEK is partially crystalline and is resistant to almost all organic and inorganic chemicals. It is also flame retardant and shows high partial discharge resistance.
  • PEEK for example, is marketed by Evonic® in a radiopaque form.
  • the polymer blend is formed by simply mixing the at least three components, copolymer, with two thermoplastics, eg PEI and PEEK.
  • the properties of the polymer blend particularly with regard to temperature resistance, correspond neither to those of the copolymer nor to those of the thermoplastics alone.
  • a polymer blend in this sense is a purely physical mixture; no new chemical bonds are created between the macromolecules.
  • a duromer is preferably used as the impregnating resin for forming the synthetic resin of a winding tape insulation and/or a slot box from the flat foil material by, for example, the VPI process of the wound insulation, ie for impregnating the winding tape insulation.
  • the VPI process of the wound insulation ie for impregnating the winding tape insulation.
  • polyester, formaldehyde, epoxy, novolak, silicone, Polyesterimide, polyurethane and any mixtures, blends and copolymers of the aforementioned compounds are used.
  • Impregnating resins for slot linings and/or winding tape insulation are generally known, inter alia from the patent specifications mentioned above. The solid insulation materials are impregnated with these impregnating resins and the resin is then cured to complete the insulation system.
  • mAramid and related aramid polymers are related to nylon but have aromatic backbones and are therefore stiffer and more durable.
  • mAramid is an example of a meta variant of aramid, for example Kevlar® is a para-aramid.
  • mAramids have excellent thermal, chemical and radiation resistance for a polymeric material. mA-ramid withstands temperatures of up to 370°C.
  • FIG. 1 and 2 show diagrams of dynamic mechanical thermal analysis DMA, which is recognized as the most sensitive method for measuring the glass transition temperature Tg is. Measurements were made with the Dynamic Mechanical Analyzer Discovery DMA850 from TA Instruments. The storage modulus, which roughly corresponds to the modulus of elasticity, is measured plotted against the temperature. What both diagrams have in common is that, above a certain temperature, there is a rapid drop, i.e. the Tg drops rapidly or the polymer blend loses its strength. bility, although a rubbery state could be recognized in the examples shown, but no deliquescence of the polymer blend.
  • FIG. 1 and 2 show diagrams of dynamic mechanical thermal analysis DMA, which is recognized as the most sensitive method for measuring the glass transition temperature Tg is. Measurements were made with the Dynamic Mechanical Analyzer Discovery DMA850 from TA Instruments. The storage modulus, which roughly corresponds to the modulus of elasticity, is measured plotted against the temperature. What both diagrams have in common is that, above a certain temperature, there
  • FIG. 1 shows dashed lines as a reference sample, a photograph of the non-blended block copolymer—here a sample of the Siltem® STM1600 material from Sabic and—as a solid line an exemplary embodiment according to the present invention STM1600®+PPS+PEEK+PEI.
  • the polymer blend according to an exemplary embodiment of the present invention from the copolymer+PPS+PEEK+PEI retains its rigidity and strength much longer than the reference sample and even at 240° C. it still has a modulus of elasticity or storage shows a modulus of over 50 MPa.
  • the pure copolymer shows a significantly lower Tg and already has this value of 50 MPa at 180°C.
  • FIG. 2 also shows the storage modulus plotted against the temperature, but again from a second exemplary embodiment of the invention against the reference of the pure copolymer. A very high Tg of over 180°C can again be seen.
  • This exemplary embodiment shows the polymer blend in a different mixture, this time with PEI in an amount of 50% by weight.
  • the copolymer, PEEK and the sulphur-containing polymer component together also make up 50% by weight, with PPS present therein at only 5% by weight.
  • FIG. 3 shows an exemplary structure of a surface insulation material according to an embodiment of the invention.
  • a layer made of a polymer blend 1 according to an exemplary embodiment of the present invention can be seen in the center of FIG. This layer is surrounded on both sides by a covering layer 2, for example an aramid paper. The three layers are connected via laminating adhesive 3.
  • the polymer blend according to the invention shows many advantages, including the reproducibility typical of synthetic materials, which is an advantage over the natural material mica. Furthermore, all relevant mica components in the respective insulation systems can be replaced with the proposed blend.
  • the production of films from the material is very inexpensive and simple thanks to the extrusion process. Any necessary further processing of the foils to form laminates (such as the further processing of mica paper to form laminates in the prior art) is very simple. Further processing into narrow rolls as a substitute for mica tape is also possible.
  • the wire insulation can be produced by wire extrusion. In principle, the bending radii of the thermoplastic insulation mentioned can be selected to be narrower than that of insulation containing mica, since the material expansions are significantly higher. This can result in constructive advantages.
  • mica and/or mica paper can be used in electrical insulation can be replaced or at least greatly reduced.

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Abstract

Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Isolierung von elektrischen Leitern gegen Teilentladung –„TE"- im Mittel- und Hochspannungsbereich. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Isolationssystem für eine elektrische Maschine, insbesondere eine rotierende elektrische Maschine mit Stator, wie einen Elektromotor und/oder einen Generator mit verbesserter Teilentladungsresistenz der polymeren Isolationssystems-Bestandteile. Überraschend hat sich herausgestellt, dass mit einem Polymerblend wie vorliegend beschrieben, die Verwendung von Glimmer und/oder Glimmerpapieren in elektrischen Isolationen ersetzt oder zumindest stark zurückgefahren werden können.

Description

Beschreibung Isolationssystem, Verwendung eines Polymerblends und Elektri- sche Maschine mit Isolationssystem Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Isolierung von elektrischen Leitern gegen Teilentladung –„TE“- im Mit- tel- und Hochspannungsbereich. Insbesondere betrifft die Er- findung ein Isolationssystem für eine elektrische Maschine, insbesondere eine rotierende elektrische Maschine mit Stator, wie einen Elektromotor und/oder einen Generator mit verbes- serter Teilentladungsresistenz der polymeren Isolationssys- tems-Bestandteile. Elektrische Maschinen mit Stator, wie z.B. Motoren und Gene- ratoren des Mittel- und Hochspannungsbereichs, weisen elekt- rische Leiter, eine Hauptisolation, eine Windungsisolierung mit Teilleiterisolation und ein Ständerblechpaket auf. Die Hauptisolation dient dem Zweck, die Leiter gegeneinander, ge- gen das Ständerblechpaket und gegen die Umgebung elektrisch zu isolieren. Die Windungsisolierung isoliert die Windungen der Spule gegeneinander. Bei Betrieb der elektrischen Maschi- ne können sich durch elektrische Teilentladungen (TEs) die so genannten „Treeing“-Kanäle in der glimmerhaltigen Hauptisola- tion ausbilden. Als Folge der „Treeing“-Kanäle kann es zu ei- nem elektrischen Durchschlag durch die Hauptisolation kommen. Im Niederspannungsbereich, wo Drähte und Kabel eingesetzt werden, kommt es im Betrieb nicht zwangsläufig zu elektri- schen Entladungen, so dass dort keine Barriere gegen Teilent- ladungen erforderlich ist. 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 Isolationssystems gegen Teilent- ladungen wird bislang hauptsächlich durch den Einsatz von Schichtsilikat, insbesondere von Glimmer in der Hauptisolati- on erreicht, welcher eine hohe Teilentladungsbeständigkeit hat. Der Glimmer wird in Form von plättchenförmigen Glimmer- partikeln mit einer herkömmlichen Partikelgröße von mehreren 100 Mikrometern bis zu mehreren Millimetern zu einem Glimmer- papier verarbeitet, welches nachfolgend auf einem Träger, wie ein Glasfasergewebe und/oder Isolierfolie, aufgesetzt und verklebt wird, so dass die Glimmerpartikel den Flächenisola- tionsstoff 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 Isolationssys- tems das Elektroisolations-Glimmerwickelband mit einem flüs- sigen Kunstharz imprägniert und anschließend wird das Kunst- harz ausgehärtet. Die dazu eingesetzten Glimmerpartikel sind nur schwer automa- tisiert abbaubar, deshalb ist wird immer wieder vermutet, dass dies auch durch Kinderarbeit in manchen Ländern erfolgt. Die Herstellung eines Isolationssystems mit einem Flächeniso- lationswerkstoff als Nutauskleidung und/oder mit einer Glim- merbreitbahn und/oder einem Glimmerband ist deshalb nicht nachhaltig. Bekannt sind Isolationssysteme – wie beispielsweise das unter der Marke „Micalastic®“ bekannte System -, bei dem in einem Vakuum-Druck-Imprägnierverfahren die Hauptisolation, ein Glimmerwickelband als Flächenisolationsstoff umfassend, mit einem Bisphenol-Epoxidharz imprägniert wird. Micalastic® ist auch aus der EP2763142A1 und der DE 102011083228A bekannt. In Hochspannungsmotoren, wie Traktionsmotoren und großen In- dustriemotoren wird die TE-Resistenz der Isolation durch die Zugabe von Schichtsilikaten, eben hauptsächlich Glimmer, er- höht. Dazu wird in den entsprechenden Isolationssystemen der Glim- mer in Form von Papieren - bei Flächenisolationswerkstoffen in Form von Laminaten -, das heißt das Glimmerpapier wird auf Trägerfolien oder Trägergeweben bzw. Trägerpapieren, wie ka- landriertes mAramid – z.B. in Form von Nomex® - aufgebracht, um es in seiner mechanischen Festigkeit zu verbessern und um das Glimmerpapier besser verarbeiten zu können. Bei Isolationssystemen mit Glimmerbändern wird das Papier mit einem Glasgewebeträger und/oder einer PET und/oder PI - Folie verbunden und in schmale Rollen geschnitten, die dann um die Spule gewickelt werden. Auch bei Teilleiterisolationen kann Glimmer beispielsweise in Form eines Prepregs um die Teilleiter gewickelt und so die TE-Resistenz der Teilleiterisolation verbessert werden. Grundsätzlich werden zur Herstellung der entsprechenden Iso- lationssysteme alle diese Glimmer Laminate nach der Applika- tion mit einem Tränkharz imprägniert und verfestigt. Insbesondere werden auch bei Traktionsmotoren Isolationssys- teme mit Nutauskleidungen, die aufgrund der Anforderungen bislang aus glimmerhaltigen Laminaten mit z.B. mAramid und Polyimid als Trägerfolie bestückt sind, eingesetzt. Um ein Maximum an Leistung aus der Maschine herauszuholen, wird sie bei höchstmöglichen Stromdichten betrieben, wodurch aber auch nennenswerte Verluste in Form von Hitze entstehen. Traktions- motoren werden insbesondere auch bei Temperaturen über 150°C betrieben. Aus der DE 102020 208760 ist ein Flächenisolationswerkstoff aus einem Copolymer eines Polyetherimids mit einem Siloxan bekannt, allerdings zeigt dieser bei erhöhter Temperatur bis 220°C, die in Traktionsmotoren auftreten kann, einen Erwei- chungspunkt. Dies unter anderem auch deshalb, weil in dem Co- polymer aus Polyetherimid und Siloxan wegen der weniger pola- ren Seitengruppen des Siloxans, diese gegenüber dem reinen Polyetherimid als „Verunreinigung“ wirken, wodurch die Glas- übergangstemperatur sinkt. Zwar können diese Polyetherimid- Siloxan-Copolymere durch geeignete Extrusionsverfahren flä- chig als Folie hergestellt werden, die ihrerseits eine aus- reichende Elastizität aufweisen, um - fertig geschnitten – u.a. auch als Wickelbänder eingesetzt zu werden, aber als Wi- ckelbänder im Betriebs-Temperaturbereich von z.B. Traktions- motoren mit über 150°C, insbesondere über 170°C sind sie nicht einsetzbar. Bei extrudierten Drahtisolationen bzw. bei umsponnenen, band- förmigen Drahtisolationen – nicht die Lösungsmittel-haltigen Drahtlacke - werden herkömmlich PEEK, PI, PAI, PPS, PEI, Po- lyesterimid (Duromer) und ähnliche eingesetzt. Es gibt auch Isolationssysteme, die spritzgegossene Formtei- le, wie z.B. Zahnspulenkörper umfassen. Die herkömmlich eingesetzten polymeren Bestandteile von Iso- lationssystemen sind nur gering oder gar nicht TE-resistent gegenüber elektrischen Entladungen. Die TE-Resistenz der Iso- lationssysteme kommt herkömmlich vom eingesetzten Glimmer. Vor allem sind die thermoplastischen Bestandteile der her- kömmlichen Isolationssysteme grundsätzlich ohne Glimmer nicht TE-resistent. Zur Verbesserung der Teilentladungs-Resistenz einer gewickel- ten Hauptisolation mit Kunstharz – also Polymerverguss ist der Einsatz nanoskaliger Partikel bekannt, die in dem Impräg- niermittel vor dem Imprägnieren dispergiert werden. Durch die Anwesenheit der Partikel verkürzt sich jedoch die Topfzeit des Kunstharzes respektive des Imprägniermittels, was sich insbesondere in einer voranschreitenden Polymerisierung des Kunstharzes vor der Imprägnierung zeigt. Entsprechende Versu- che mit gefüllten Imprägniermitteln sind wirtschaftlich mo- mentan nicht im Fokus, weil zu viele prozessuale Probleme aufgetreten sind. Bei den festen Isolationswerkstoffen, wie den Flächenisolati- onswerkstoffen von Isolationssystemen wurde der Ersatz von Glimmer bislang nicht erforscht. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Material zur Drahtextrusion, insbesondere zur Drahtextrusion eventuell vorgesehener Flach- oder Runddrähte und/oder von Steckspulen und/oder so genannten Hairpin-Flachdrähten für Statoren in elektrischen Motoren und Generatoren und/oder in der Haup- tisolation, zur Verfügung zu stellen. Diese finden insbeson- dere bei Traktionsmotoren für Elektrofahrzeuge Anwendung. Es besteht auch der Bedarf an einem Material, durch das im Spritzgussverfahren das Aufbringen einer Temperatur- und/oder Teilentladungs-stabilen Isolation ohne glimmerhaltiges Wi- ckelband und insbesondere vorzugsweise auch ohne anschließen- de Vakuum-Imprägnier- „VPI“-Verfahren möglich ist. Überall dort, wo hohe Temperatur und Teilentladung in Stato- ren für elektrische Motoren und Generatoren eine polymer auf- gebaute Isolation schädigen können, wurde bisher Glimmer ein- gesetzt. Zum Ersatz des Glimmers bislang nun versucht, mit Füllstoffen, insbesondere mit Nanopartikel, die entsprechen- den Eigenschaften bei Polymeren zu erzeugen. Dies allerdings bislang ohne durchschlagenden wirtschaftlichen Erfolg. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die TE-Resistenz der polymeren Anteile eines Isolationssystems zu implementie- ren, respektive zu steigern und einen Ersatz für Glimmer in Isolationssystemen allgemein und für Glimmerbänder und/oder Glimmerpapier im Besonderen zu schaffen und damit ein polyme- res Material für die Drahtextrusion, den Spritzguss, das Formpressen und/oder einen Flächenisolationswerkstoff zur Verfügung zu stellen, das TE-resistenz zeigt und dessen Glas- übergangstemperatur und/oder Schmelzpunkt zumindest über 150°C liegt, bevorzugt höher und/oder der einen Temperatur Index von 180 °C oder - wenn möglich - noch höher besitzt. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Er- findung, wie er in der Beschreibung, den Figuren und den An- sprüchen offenbart ist, gelöst. Dementsprechend ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Isolationssystem, ein Material in Form eines - festen Flächenisolationswerkstoffes, und/oder - Materials für die Drahtisolierung mittels Extrusion und/oder - spritzgegossenen Formteils und/oder, - formgepressten Formteils umfassend dadurch gekennzeichnet, dass das Material teilentladungsresistent ist, den Glimmeranteil im Isolationssystem zumindest teilweise ersetzt und ein Poly- merblend zumindest dreier Blendpartner ist, in dem zumindest ein Copolymer auf Grundlage von Polyetherimid und Siloxan mit zumindest zwei Hochtemperaturthermoplasten geblendet vor- liegt, wobei mindestens einer der Hochtemperatur- Thermoplasten teilkristallin vorliegt. Außerdem sind Gegenstand der Erfindung die Verwendungen die- ses oben definierten Polymerblends. Dazu gehört beispielsweise die Verwendung dieses Polymer- blends mittels Drahtextrusion als Teilleiterisolation respek- tive Windungsisolation und/oder als Hauptisolation bei Hair- pin-Spulen. Zur Herstellung des Isolationssystems ist hierbei vorzugsweise noch eine Fixierung – beispielsweise in der Nut – durch Vergießen, Imprägnieren, Beträufeln, Tauchen und/oder durch Spritzguss mit einem Kunstharz vorgesehen. Z.B. kann ein durch Drahtextrusion isolierter Teilleiter durch Spritz- guss in der Nut fixiert werden. Eine andere beispielhafte Verwendung des Polymerblends ist im Spritzguss-Verfahren, wie z.B. eines Stators eines elektri- schen Motors oder Generators. Vorteilhaft ist auch die Verwendung des Polymerblends in ei- nem Formpress-Verfahren zur Herstellung des Isolationssystems und/oder von Teilen davon, insbesondere eines Stators eines elektrischen Motors oder Generators. Auch die Verwendung des Polymerblends in Form einer Folie, wie z.B. bei der Nutzung als fester Isolationswerkstoff, ins- besondere bandförmig, als Teil einer über ein Wickelband her- stellbaren - z.B. Teilleiterisolation - genannten Windungs- isolation und/oder Hauptisolation ist Gegenstand der Erfin- dung. Des Weiteren ist auch die Verwendung des Polymerblends in Form eines Laminats – insbesondere als Flächenisolierwerk- stoff z.B. für Nutauskleidungen eines Stators - auch ohne weitere Fixierung oder Stabilisierung durch z.B. Verguss – Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Auch in Form einer bandförmigen Folie und/oder eines bandför- migen Laminats ist die Verwendung des Polymerblends als zu- mindest Teil einer Wicklung und im VPI-Prozess imprägnierten und ausgehärteten Isolationssystems, Gegenstand der vorlie- genden Erfindung. Beim VPI wird das den Polymerblend umfas- sende Band dann mittels Kunstharz imprägniert. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegt im Polymerblend - beispielsweise als amorpher - Hochtempera- tur-“HT“-Thermoplast-Blendpartner Polyetherimid -PEI- vor. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegt im Polymerblend als teilkristalliner Hochtemperatur - “HT“- Thermoplast ein Polyetherketon und/oder ein Gemisch verschie- dener Polyetherketone vor. „Polyetherketone“ -PEK – sind Polymere, in deren molekularen Rückgrat abwechselnd Keton- (R-CO-R) und Etherfunktionalitä- ten (R-O-R) vorkommen. Gut geeignet sind beispielsweise Poly- aryletherketone -PAEK-, bei denen sich zwischen den funktio- nellen Gruppen jeweils eine in (1,4) -Position verknüpfte A- rylgruppe befindet. Das starre Rückgrat der Polyetherketone und insbesondere der Polyaryletherketone verleiht den Materi- alien im Vergleich zu anderen Kunststoffen sehr hohe Glas- übergangstemperaturen -Tgs- und/oder Schmelzpunkte, weshalb sie gemäß der Erfindung als zumindest ein Blendpartner des zumindest drei Blendpartner umfassenden Isolations- Polymerblend-Materials zum Ersatz von Glimmer durch TE- resistentes Polymermaterial einsetzbar ist. Geeignete Polyetherketone sind insbesondere: - Poly(etheretherketon) - PEEK-, - Poly(etherketonketon) – PEKK-, - Poly(etheretheretherketon) – PEEEK -, - Poly(etheretherketonketon) – PEEKK-, - Poly(etherketonetherketonketon) -PEKEKK- und/oder - Polyaryletherketon – PAEK – sowie beliebige Kombinationen und/oder Mischungen der oben genannten Verbindungen. Soweit in der Erfindung bereits getestet, sind die genannten Polyetherketone untereinander und mit den beiden anderen Blendpartner, insbesondere auch mit dem Copolymer auf Grund- lage von Polyetherimid und Siloxan, beliebig mischbar und kombinierbar. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass jeder der zumindest drei Polymerblend- Partner, - das zumindest eine Copolymer, die beiden Thermo- plasten, von denen zumindest einer teilkristallin vorliegt - jeweils in einer Konzentration zwischen 1 und 70 Gew% im Po- lymerblend enthalten sind. Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass ein Gemisch aus 3 Blendpartner, einem Copolymer, insbesondere einem Silo- xan-Polyetherimid-Copolymer mit zumindest einem teilkristal- lin vorliegenden Thermoplasten im Blend ein stabiles Gemisch ergibt, das als ungefülltes Material zur Herstellung einer Isolation einsetzbar und insbesondere auch zur Folienherstel- lung geeignet ist. Ganz allgemein liegen in einem teilkristallinen Blendpartner Sphärolithe vor, die eine für thermoplastische Kunststoffe typische kugelförmige Überstruktureinheit bezeichnen. Der Be- griff Sphärolith bezeichnet dabei allgemein ein kugeliges und/oder strahliges Kristallaggregat, wobei Sphärolithe selbst keine Kristalle im kristallografischen Sinn sind, son- dern Aggregate, also Anhäufungen von sehr vielen, kleineren kristallinen Bereichen darstellen. Diese können durch Rönt- genbeugung nachgewiesen werden. In einer polymeren Überstruk- tur mit Sphärolithen sind Kristallite radialsymmetrisch ange- ordnet und über amorphe Zwischenbereiche verbunden. Da Sphärolithe kristalline Bereiche umfassen und damit doppel- brechend sind, lassen sie sich mit Hilfe der Polarisations- mikroskopie nachweisen. Die lichtmikroskopisch nachweisbare Größe liegt zwischen 1µm und mehreren 100µm. Bei sehr kleinen Sphärolithen ist das oben beschriebene Muster im Mikroskop nicht mehr zu erkennen. Man erkennt nur noch eine diffuse Streuung des Lichts. Als „Blend-Material“, „Polymerblend“ oder kurz „Blend“ werden vorliegend rein physikalische Gemische aus zwei oder mehreren unterschiedlichen Polymeren bezeichnet. Die Eigenschaften der so entstehenden Kunststoffe unterscheiden sich von denen der Ursprungspolymere. Bei dieser rein physikalischen Mischung entstehen keine neuen chemischen Bindungen zwischen den Mak- romolekülen. Polymerblends werden im Kurzzeichen durch ein zwischen die Bestandteile gesetztes „+“ gekennzeichnet, im Gegensatz dazu werden bei Copolymeren fortlaufende Buchsta- benfolgen verwendet. Als „Flächenisolationswerkstoff“ wird vorliegend ein unter Normalbedingungen fester Werkstoff bezeichnet, der beispiels- weise als falzbarer Werkstoff, wie beispielsweise insbesonde- re in Form eines Laminats und/oder einer Folie, vorliegt. Das Laminat ist vorzugsweise zumindest zweilagig, wobei die Lagen - wiederum vorzugsweise - durch Laminierkleber verbunden sind. Es können zumindest zwei Lagen des gleichen Materials, aber auch verschiedenen Materials vorliegen. Dabei können alle oder einige Lagen eines derartigen Lami- nats, das einen Flächenisolationswerkstoff bildet, aus einem oder mehreren verschiedenen Ausführungsbeispielen eines Poly- merblends nach der Erfindung und/oder eine Kombination aus zumindest einer Lage eines Polymerblends nach der Erfindung kombiniert mit einer Lage aus einem anderen Material, das beispielsweise zur Abdeckung des Polymerblends bei der Her- stellung des Isolationssystems dient, im Laminat vorliegen. Als „anderes Material“ in einem Laminat, das einen Flä- chenisolationswerkstoff bildet, kann beispielsweise ein Lami- nierpapier, wie es nach dem Stand der Technik für Nutausklei- dungen eingesetzt wird, wie z.B. ein Aramid-Papier, wie z.B. aus mAramid verwendet werden. Andererseits kann ein „Flächenisolationswerkstoff“ auch in Form einer biegsamen, flexiblen Folie vorliegen, die vorzugs- weise einlagig ist, aber unter Umständen auch mehrlagig, also ein biegsames, flexibles Laminat mehrerer Lagen, sein kann. Als Kurzzeichen werden für Polymere, wie sie als Blendpartner hier neben dem Copolymer auf Grundlage von Polyetherimid und Siloxan einsetzbar sind, DIN-genormte, mit dem US- amerikanischen Standard ASTM weitgehend übereinstimmende, Großbuchstabenfolgen bezeichnet. Beispielsweise steht PEK für Polyetherketon und PEI für Polyetherimid. Als Copolymer wiederum werden Polymere bezeichnet, die aus zwei oder mehr verschiedenartigen Monomereinheiten zusammen- gesetzt sind. Dabei kommen statistische Copolymere, Gradien- tencopolymere, alternierende Copolymere, Blockcopolymere und Pfropfcopolymere vor. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegt der feste Flächenisolationswerkstoff, der z.B. als Ersatz für ein Glimmerband einer Wickelbandisolation für den VPI-Prozess einsetzbar ist, als Folie oder Laminat in breiter Rolle oder als Band in schmaler Rolle oder bandförmiger Ausschnitt einer Folie oder eines Laminats vor. Dieses - z.B. - Band aus einem Polymerblend gemäß der Erfindung kann in einem VPI-Verfahren mit einem Kunstharz, beispielsweise einem Duromer imprägniert und ausgehärtet und in der Anordnung dann im Isolationssys- tem, z.B. für die Hauptisolation eines Stators, fixiert wer- den. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung hat sich der Einsatz von einem oder mehreren schwefelhaltigen Po- lymeren als zusätzliche Blendpartner – jeweils entweder teil- kristallin oder amorph - als geeignet erwiesen, unter anderem weil auch hier eine Folienherstellung und auch die Verarbei- tung durch Extrusion ohne nennenswerte Entmischung mit den restlichen Blendpartnern möglich ist und die Teilentladungs- resistenz nochmal verbessert wird. Dabei gibt es sowohl teilkristallin als auch amorph vorlie- gende schwefelhaltige Polymere, wobei die teilkristallin vor- liegenden schwefelhaltigen Polymere wie z.B. Polyphenylensul- fid – PPS – zwar auch vorrangig zur Erhöhung der Teilentla- dungsresistenz eingesetzt werden, aber auch wegen der Sphäro- lithen im Blend, die eine gewissen Rest-Festigkeit oberhalb des Tgs bewirken, so dass die polymeren Bestandteile des Iso- lationssystems bei Betriebs-Temperaturen oberhalb des Tgs nicht abtropfen, sondern gummiartig im Isolationssystem ver- bleiben und sich bei Abkühlung wieder verfestigen. Insbesondere kann eine schwefelhaltige Polymer-Verbindung, ausgewählt aus der Klasse der schwefelhaltigen Polymere wie die der Polysulfone -PSU -, umfassend z.B. Polyphenylensulfid -PPS-, Polyphenylensulfon – PPSU-, Polyethersulfon – PESU- und/oder Polyarylensulfon – PAS-, Polybisarylsulfon, wie Poly bisphenylensulfon, etc. dem Polymerblend gemäß der Erfindung allein oder in beliebigen Kombinationen zugesetzt sein. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Menge an zu- gesetztem schwefelhaltigem Polymer im Bereich zwischen 1 Gew% und 25 Gew%, insbesondere zwischen 3 Gew% und 20 Gew% und be- sonders bevorzugt zwischen 4 Gew% und 15 Gew% liegt. Alle genannten schwefelhaltigen Hochtemperatur-Thermoplaste können für sich und/oder in beliebigen Kombinationen und Mi- schungen eingesetzt werden. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform liegen die drei Blendpartner, Copolymer, und - beispielsweise - PEI und PEEK in ungefähr gleichen Masseanteilen im Blend vor, wobei bei- spielsweise alle drei Partner im Bereich zwischen 15 Gew% und 33 Gew%, insbesondere zwischen 20 Gew% und 30 Gew%, besonders bevorzugt zwischen 23 Gew% und 27 Gew% vorliegen. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform liegt das Copolymer auf Grundlage von Polyetherimid und Siloxan in ge- ringstem Anteil vor, die beiden thermoplastischen Blend- partner dann beide in höheren Masseanteilen, die wiederum gleich oder verschieden sein können. Nach wieder einer anderen beispielhaften Ausführungsform liegt Copolymer auf Grundlage von Polyetherimid und Siloxan zumindest in 15 Gew% des Polymerblends vor, PEI in zumindest 17 bis 20 Gew% und PEK, z.B. PEEK, in zumindest 35 Gew% vor. Nach wieder einer anderen Ausführungsform liegt PEI in zumin- dest 12 Gew%, Copolymer auf Grundlage von Polyetherimid und Siloxan in zumindest 20 Gew% und PEEK in zumindest 33 Gew% vor. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Polymerblend auch gefüllt vorliegen, wobei Verstärkungsfüll- stoffe, wie beispielsweise Verstärkungsfasern, insbesondere Glasfasern, beispielsweise in Form von Kurzglasfasern, als Füllstoff enthalten sein können. Das „Copolymer auf Grundlage von Polyetherimid und Siloxan“ hat auch in ungeblendeter Form Potential als Isoliermaterial im Mittel- und Hochspannungsbereich hinsichtlich der Bestän- digkeit gegenüber Teilentladungen. Die Erweichungstemperatur des Copolymers allein als Flächenisolationswerkstoff liegt allerdings nur geringfügig oberhalb 170°C, so dass dieser als Flächenisolationswerkstoff in einem Isolationssystem bei hö- heren Betriebstemperaturen, insbesondere bei Betriebstempera- turen oberhalb von 180°C nicht unverändert einsetzbar ist. Durch ein Polymerblend gemäß einem bevorzugten Ausführungs- beispiel der Erfindung, also ein Blend von Copolymer auf Grundlage von Polyetherimid und Siloxan mit zwei Thermoplas- ten, hier insbesondere PEI und PEEK, in einer Menge von bei- spielsweise 10 bis 90 Gew% an PEI und PEEK zusammen, ergibt sich aus dem Copolymer ein derart verbesserter Flächenisola- tionswerkstoff, der als Folie verarbeitbar ist und in einem Temperatur-Bereich - gemeint ist bei einer Betriebstemperatur - einer damit isolierten elektrischen Maschine von beispiels- weise 170°C bis zu 250°C einsetzbar ist. Insbesondere Antriebsmotoren und Traktionsmotoren sind elekt- rische Maschinen, die dafür in Betracht kommen, weil sie bei hohen Temperaturen, also Temperaturen oberhalb 155°C, betrie- ben werden. Die Betriebstemperatur des Motors liegt vorzugs- weise unter dem Tg des Polymerblends, der gemäß der vorlie- genden Erfindung eingesetzt wird. Durch einen Polymerblend gemäß einem Ausführungsbeispiel, beispielsweise mit 25 Gew% Copolymer, 35 Gew% PEI und 40 Gew% PEEK ist die Herstellung einer Folie als glimmerfreier Flä- chenisolierwerkstoff möglich. Die festen Isolierwerkstoffe, die bislang als Wickelbandisolierung eingesetzt werden und die grundsätzlich glimmerhaltig sind, können hier ohne Schichtsilikat und insbesondere ohne Glimmer und vor allem in gleich guter oder sogar verbesserter Qualität hergestellt werden. Dazu ist insbesondere auch der Nachhaltigkeitsaspekt zu erwähnen, da „Glimmer“ ein Naturstoff ist. Durch die Erfindung ist es also möglich, einen Naturstoff zu schonen, der überwiegend in Handarbeit abgebaut wird, weil ein erfindungsgemäßes Polymerblend sich als Flächenisolati- onswerkstoff und als fester Isolationswerkstoff eignet und für Motoren der oben genannten Wärmeklassen bis 250°C eine hohe Beständigkeit gegenüber Teilentladungen nachgewiesen wurde. 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, nachgelesen werden. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Copolymer auf Grundlage von Polyetherimid und Siloxan ein Block- Copolymer. Insbesondere hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der An- teil an Siloxan im Copolymer im Bereich von 0,1Gew% bis 90Gew% liegt, insbesondere bei 10Gew% bis 60Gew% und insbe- sondere bei 20Gew% bis 40Gew%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Copolymers. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform liegt der atomare Anteil an Silizium-Atomen im Copolymer bei 0% bis 30% Atom- prozent, insbesondere von 0 % bis 25 %, insbesondere bei 0% bis 15 %. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Polyetherimid-Siloxan-Copolymer ein Block-Copolymer der allgemeinen Formel (I)
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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. TiO2 und/oder solche mit einer der fol- genden Summenformeln Na8Al6Si6O24S4 und/oder Na6Al6Si6O24S2. Wei- tere Additive können Fe2O3 und/oder MnFe2O4 und/oder elektrisch nichtleitfähige Kohlenstoff basierte Füllstoffe, wie z.B. Industrieruß geeignete Additive sein. Bei Bedarf können die Additiv-Partikel teilweise oder ganz, vollflächig oder teilflächig, mit einer SiO2-Beschichtung ausgestattet im Flächenisolationsstoff, also der dem Glimmerband der bisher üblichen Isolationssysteme vergleichbaren Teil des Isolati- onssystems, vorliegen. Diese Additive sind insbesondere auch oxidationshemmend, so dass die Wärmeklasse und/oder der Temperatur-Index eines da- mit hergestellten Flächenisolationswerkstoffes weiter erhöht werden kann. Additive werden bei der Herstellung des Blends beispielsweise zugemischt. Weitere Additive, Verlaufshilfsmittel, Farbpigmente, Quarz- partikel und weiteres können dem Blend und/oder dem Impräg- niermittel zur Herstellung des Isolationssystems zugemischt 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 der bekannte Thermoplast bezeichnet, der vielfältig einsetzbar ist, weil er hochtempe- raturbeständig ist und als flammwidrig eingestuft wird. Dies insbesondere deshalb, weil er geringe Rauchentwicklung zeigt, wenn er dennoch mal brennt. PEI hat hohe Festigkeit, auch ho- he elektrisch Durchschlagsfestigkeit, geringes Gewicht und ist gegen UV-Licht und Gammastrahlen beständig. Insbesondere ist PEI als „ULTEM®“ handelsüblich. Das Polyetherimid wird gemäß einer vorteilhaften Ausführungs- form der Erfindung einmal zur Bildung des Copolymers mit Si- loxan eingesetzt, also die Monomere des Polyetherimids und die Monomere des Siloxans werden gemeinsam zu einem Polymer gehärtet. Zum zweiten wird PEI zu Herstellung des Polymerblends, unab- hängig vom eingesetzten Copolymer, bei der Abmischung des Co- polymers zur Bildung des Polymerblends nach einer vorteilhaf- ten Ausführungsform der Erfindung eingesetzt. Polyetheretherketon PEEK ist ein hochtemperaturbeständiger thermoplastischer Kunststoff und gehört zur Stoffgruppe der Polyaryletherketone. PEEK liegt bei Raumtemperatur fest vor mit einer Schmelztemperatur von 335°C. PEEK liegt teilkris- tallin vor und ist gegenüber fast allen organischen und anor- ganischen Chemikalien beständig. Außerdem ist es schwer ent- flammbar und zeigt hohe Teilentladungsresistenz. PEEK wird beispielsweise in röntgenopaker Form von Evonic® vertrieben. Die Bildung des Polymerblends erfolgt durch einfaches Mischen der zumindest drei Komponenten Copolymer, mit zwei Thermo- plasten, z.B. PEI und PEEK. Die Eigenschaften des Polymer- blends, insbesondere hinsichtlich Temperaturbeständigkeit entsprechen weder denen des Copolymers noch denen der Thermo- plasten alleine. Ein Polymerblend in diesem Sinn ist eine rein physikalische Mischung, es entstehen keine neuen chemi- schen Bindungen zwischen den Makromolekülen. Als Imprägnierharz zur Bildung des Kunstharzes einer Wickel- bandisolation und/oder eines Nutkastens aus dem flächigen Fo- lienmaterial durch beispielsweise VPI-Prozess der gewickelten Isolation, also zur Imprägnierung der Wickelbandisolierung wird vorzugsweise ein Duromer eingesetzt. Dabei kann bei- spielsweise Polyester, Formaldehyd, Epoxid, Novolak, Silikon, Polyesterimid, Polyurethan sowie beliebige Mischungen, Blends und Copolymere der vorgenannten Verbindungen eingesetzt wer- den. Imprägnierharze für Nutauskleidungen und/oder Wickelban- disolationen sind allgemein, unter anderem aus den oben ge- nannten Patentschriften, bekannt. Die festen Isolationsstoffe werden mit diesen Imprägnierharzen imprägniert und das Harz dann ausgehärtet damit das Isolationssystem fertiggestellt ist. Zur Herstellung eines Nutkastens wird beispielsweise eine Fo- lie aus dem Polymerblend nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, indem die Folie entweder allein oder als Laminat zwischen zwei mAramid = Meta-Aramid-Papieren eingebettet, eingesetzt wird. mAramid und verwandte Aramidpolymere sind mit Nylon verwandt, haben jedoch aromatische Rückgrate (backbones) und sind daher steifer und haltbarer. mAramid ist ein Beispiel für eine Me- ta-Variante der Aramide, beispielsweise Kevlar® ist ein Para- Aramid. mAramide haben eine ausgezeichnete thermische, chemi- sche und Strahlungsbeständigkeit für ein Polymermaterial. mA- ramid hält Temperaturen von bis zu 370°C stand. Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand von Figuren, die Messungen an beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung zeigen, näher erläutert: Die Figuren 1 und 2 zeigen Diagramme von Dynamisch- mechanischen Thermo-Analysen DMA, die anerkanntermaßen die empfindlichste Methode zur Messung der Glasübergangstempera- tur Tg ist. Gemessen wurde mit dem Dynamisch-mechanischen Analysator Dis- covery DMA850 von TA Instruments. Gemessen wird der Speichermodul, was in etwa dem Elastizi- täts-Modul entspricht, aufgetragen über die Temperatur. Den beiden Diagrammen ist gemeinsam, dass ab einer gewissen Temperatur ein rapider Abfall stattfindet, das heißt, der Tg fällt rapide ab oder der Polymerblend verliert seine Festig- keit, wobei – bei den dargestellten Beispielen zwar ein gum- miartiger Zustand erkannt werden konnte, aber kein Zerfließen des Polymerblends. Figur 1 zeigt gestrichelt als - Referenzprobe eine Aufnahme des nicht geblendeten Block- Copolymers – hier eine Probe des Siltem® STM1600 – Mate- rials der Firma Sabic und - als durchgehende Linie ein Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung STM1600®+ PPS+PEEK+PEI. Zu erkennen ist klar, dass das Polymerblend gemäß einem Aus- führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aus dem Copolymer + PPS + PEEK + PEI wesentlich länger seine Steifigkeit und seine Festigkeit als die Referenzprobe erhält und selbst bei 240°C immer noch ein E-Modul oder Storage Modulus von über 50 MPa zeigt. Das reine Copolymer hingegen zeigt einen wesent- lich niedrigeren Tg und hat schon bei 180°C diesen Wert von 50 MPa. Figur 2 zeigt auch den Speichermodul über die Temperatur auf- getragen, jedoch von einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung wieder gegen die Referenz des reinen Copolymers. Zu sehen ist wieder ein sehr hoher Tg von über 180°C. Dieses Ausführungsbeispiel zeigt das Polymerblend in anderer Mi- schung, diesmal mit PEI in einer Menge von 50 Gew%. Das Copo- lymer, PEEK und die schwefelhaltige Polymerkomponente ergeben zusammen auch 50 Gew%, wobei PPS darin mit nur 5Gew% vor- liegt. Zu erkennen ist ein etwas steilerer Abfall des Elastizitäts- moduls, beim Vergleich wieder von der gestrichelt eingezeich- neten Referenzprobe Siltem®1600 und dem in durchgezogener Li- nie dargestellten Ausführungsbeispiel eines Polymerblends aus Copolymer Siltem®1600, PPS, PEEK und PEI, in dem 50Gew% PEI vorliegt. Figur 3 zeigt einen beispielhaften Aufbau eines Flächenisola- tionswerkstoffes nach einer Ausführungsform der Erfindung. In Figur 3 ist mittig eine Lage aus einem Polymerblend 1 ge- mäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zu erkennen. Diese Lage ist beidseitig von einer Abdecklage 2, beispielsweise einem Aramidpapier, umgeben. Die drei Lagen sind über Laminierkleber 3 verbunden. Das Polymerblend gemäß der Erfindung zeigt viele Vorteile, unter anderem auch die für synthetische Materialien typische Reproduzierbarkeit, die ein Vorteil gegenüber dem Naturmate- rial Glimmer darstellt. Des Weiteren können alle relevanten Glimmerkomponenten in den jeweiligen Isolationssystemen mit dem vorgeschlagenen Blend ersetzt werden. Die Herstellung von Folien aus dem Material ist durch den Prozess der Extrusion sehr kostengünstig und einfach. Die eventuell notwendige Weiterverarbeitung der Fo- lien zu Laminaten (wie im Stand der Technik die Weiterverar- beitung der Glimmerpapiere zu Laminaten) ist sehr einfach möglich. Auch die Weiterverarbeitung zu schmalen Rollen als Glimmerbandersatz ist möglich. Durch Drahtextrusion können die Drahtisolationen hergestellt werden. Grundsätzlich können die Biegeradien der genannten thermoplastischen Isolation en- ger als die einer glimmerhaltigen Isolation gewählt werden, da die Materialdehnungen deutlich höher sind. Daraus können konstruktive Vorteile entstehen. Zusätzlich ist aber auch durch das Spritzgießen nun auch eine zusätzliche Verarbei- tungsmethode entstanden, die sehr einfach die Hauptisolation ersetzen kann. Vorher wurde diese durch Glimmerbandbewicklung der Spule und anschließendem Tränkprozess und wiederum an- schließenden Aushärteprozess aufwändig = teuer hergestellt. Wird das Polymerblend als dicke Folie extrudiert, so kann auch ein sogenannter Nuteinleger und/oder eine Nutauskleidung einfach hergestellt werden, in dem die Folie allein, oder auch als Laminat, eingebettet zwischen zwei mAramid-Papiere, vorliegt. Ein Polymerblend gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt gute Teilentladungsbeständigkeit und auch hohe Glasübergangstempe- raturen, Tgs, wie durch Diagramme, wie in den Figuren ge- zeigt, nachweisbar ist. So hat sich überraschend herausge- stellt, dass mit einem Polymerblend, wie vorliegend beschrie- ben aus zumindest einem Copolymer auf Grundlage von Polyethe- rimid und Siloxan und zwei Hochtemperaturthermoplasten, in denen Sphärolithe nachweisbar sind, die Verwendung von Glim- mer und/oder Glimmerpapieren in elektrischen Isolationen er- setzt oder zumindest stark reduziert werden können.

Claims

Patentansprüche 1.Isolationssystem, ein Polymerblend in Form eines - festen Flächenisolationswerkstoffes, eines - Materials für die Drahtisolierung mittels Extrusion und/oder eines - spritzgegossenen und/oder formgepressten Formteils um- fassend, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymerblend teilentladungsresistent ist, den Glimmeran- teil im Isolationssystem zumindest teilweise ersetzt und ein Polymerblend zumindest dreier Blendpartner ist, in dem zumin- dest ein Copolymer auf Grundlage von Polyetherimid und Silo- xan mit zumindest zwei Hochtemperaturthermoplasten geblendet vorliegt, wobei mindestens einer der Hochtemperatur- Thermoplasten teilkristallin vorliegt, so dass im Polymer- blend Sphärolithe nachweisbar sind.
2. Isolationssystem nach Anspruch 1, wobei im Polymerblend jeder der Blendpartner in einem Anteil von 1 bis 70 Gew% vor- liegt.
3. Isolationssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei im Polymer- blend Polyetherimid PEI als Hochtemperaturplast-Blendpartner vorliegt.
4. Isolationssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei im Polymerblend Polyetheretherketon als teilkristalli- ner Hochtemperaturplast-Blendpartner vorliegt.
5. Isolationssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Polymerblend als Folie und/oder Laminat vorliegt.
6. Isolationssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei im Polymerblend eine schwefelhaltige Polymerkomponente vorliegt.
7. Isolationssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die schwefelhaltige Polymerkomponente im Polymerblend in einer Menge von bis zu 25 Gew% vorliegt.
8. Isolationssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Blendpartner alle in ungefähr gleichen Massean- teilen vorliegen.
9. Isolationssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei die Copolymer-Polymerblendkomponente auf Grundlage von Polyetherimid und Siloxan die meisten Mas- seanteile im Polymerblend hat.
10. Isolationssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei ein PEK die meisten Masseanteile im Poly- merblend hat.
11. Isolationssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei PEI die meisten Masseanteile im Polymer- blend hat.
12. Isolationssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei die schwefelhaltige Polymerkomponente die meisten Masseanteile im Polymerblend hat.
13. Isolationssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in dem Copolymer auf Grundlage von Polyetherimid und Siloxan ein Anteil an Silizium-Atomen im Bereich von 1% bis 25 %, bezogen auf alle Atome in dem Copolymer, vorliegt.
14. Isolationssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei im Polymerblend ein oder mehrere oxidationshemmen- de Additiv(e) vorgesehen sind.
15. Verwendung eines Polymerblends nach einem der Ansprüche 1 bis 14 in einer Drahtextrusion als Teilleiterisolation respektive Windungsisolation und/oder als Hauptisolation bei Hairpin-Spulen mit nachfolgender Fixierung durch Verguss, Imprägnierung, Träufelung, Tauchen und/oder Spritzguss.
16. Verwendung eines Polymerblends nach einem der Ansprüche 1 bis 14 in einem Spritzguss Verfahren zur Herstellung ei- ner elektrischen Hauptisolation oder Teile einer elektrischen Hauptisolation eines Stators eines elektri- schen Motors oder Generators.
17. Verwendung eines Polymerblends nach einem der Ansprüche 1 bis 14 in einem Formpress Verfahren zur Herstellung ei- ner elektrischen Isolation und/oder von Teilen einer elektrischen Isolation eines Stators eines elektrischen Motors oder Generators.
18. Verwendung eines Polymerblends nach einem der Ansprüche 1 bis 14 als Laminat oder Folie zur Herstellung zumindest eines Teils eines Isolationssystems mit Imprägnierung mittels Vakuum-Druck-Imprägnierung.
19. Verwendung eines Polymerblends nach einem der Ansprüche 1 bis 14 als Nutauskleidung für eine Isolation eines Sta- tors eines elektrischen Motors oder Generators.
20. Elektrische Maschine mit einem Stator, der ein elektri- sche Isolationssystem aufweist, in der ein Polymerblend nach einem der Ansprüche 1 bis 14 nachweisbar ist.
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