WO2023180175A1 - Leitungselement mit effizient herstellbarer isolation - Google Patents

Leitungselement mit effizient herstellbarer isolation Download PDF

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WO2023180175A1
WO2023180175A1 PCT/EP2023/056776 EP2023056776W WO2023180175A1 WO 2023180175 A1 WO2023180175 A1 WO 2023180175A1 EP 2023056776 W EP2023056776 W EP 2023056776W WO 2023180175 A1 WO2023180175 A1 WO 2023180175A1
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WO
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powder coating
insulation
line element
uncrosslinked
coating formulation
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PCT/EP2023/056776
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Inventor
Steffen Lang
Marek Maleika
Niels Müller
Florian Schemmel
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Siemens Mobility GmbH
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/30—Windings characterised by the insulating material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D5/00—Coating compositions, e.g. paints, varnishes or lacquers, characterised by their physical nature or the effects produced; Filling pastes
    • C09D5/03—Powdery paints
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B3/00—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties
    • H01B3/02—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of inorganic substances
    • H01B3/10—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of inorganic substances metallic oxides
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/12—Impregnating, heating or drying of windings, stators, rotors or machines

Definitions

  • the invention relates to a line element such as a winding head and/or a copper flat wire of an electrical rotating machine, in particular an electric motor, traction motor and/or generator, with insulation that can be produced efficiently.
  • the invention also relates to a method for producing insulation for such a line element.
  • Electric rotating machines in the medium and high voltage range such as electric motors and electric generators are known. These machines are characterized by a variety 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 z. B. in microsystem technology up to over a gigawatt, i.e. a thousand times a million watts, such as in the power plant sector. In between lies the medium-voltage application with traction and drive motors in the vehicle sector, rail vehicle sector, etc.
  • Line elements such as winding heads, copper flat wires in hairpin technology and/or wire coils through which electrical current flows.
  • Electrical machines have insulation systems for the electrical insulation of the line elements through which current flows from one another and from the external environment.
  • Electric rotating machines e.g. B. Electric motors and generators with a rated voltage of 700 V or more include a rotor surrounded by the stator.
  • the stator has a laminated core in which there are grooves into which the electrical conduction elements are inserted in the form of coils or as individual rods that are welded or soldered into coils. Two corresponding individual rods can be used soldered together to form a coil.
  • the electrical sub-conductors are insulated from each other in the coil, the coil is additionally provided with a main insulation made of mica-containing insulating tapes and finally, depending on the voltage level, optionally provided with a conductive corona protection, in particular an outer and/or end corona protection, so that the surface of the Coil is at the same potential as the laminated core.
  • This structure is also called an "ordered" winding, in contrast to electrical rotating machines with wires in a "wild" winding, which usually relate to electrical rotating machines with a rated voltage of less than 700 volts.
  • coils made of partial conductors that are insulated from one another, for example via winding and/or wire enamel. These are formed from blanks, such as a coil fish, by pulling and twisting so that they can be inserted into the grooves 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 via appropriate connections.
  • the current-carrying coils are insulated from each other, from the laminated core and finally from the environment by an insulation system.
  • the insulation system regularly includes the main insulation, which represents a pure insulator, and the corona protection system, which includes the components external corona protection and/or end corona protection, with a corona protection system also showing a low electrical conductivity for better partial discharge resistance.
  • the live coil is largely isolated from the grounded laminated core by the main insulation made of polymer-based materials. In order to get maximum performance out of the machine, it is operated at the highest possible current density. operated, which also results in significant losses in the form of heat.
  • the maximum normal operating temperature is approx. 155°C.
  • 155°C For these operating temperatures, it is known to use an insulation system made of mica tape and epoxy-based thermoset plastics. The motor is designed so that the maximum heating - including the insulation - does not or only slightly exceeds 155°C.
  • the insulation system is subjected to greater thermal stress, at least briefly to over 200°C.
  • insulation systems with materials based on mAramid and polyetherimide are used.
  • main insulation and corona protection such as external corona protection AGS and end corona protection EGS
  • EGS end corona protection
  • the other parts cannot be applied fully automatically either because the number of pieces does not make automation economical and/or the risk of air pockets in the folds of the wrapping tapes does not guarantee the quality required during winding.
  • the tapes that are wound usually have glued mica plates, which serve in the insulation to extend the erosion path in the insulation system, i.e. the direct path from the voltage side, the line elements, to the grounded laminated core, which results in a significantly longer service life of an insulation system .
  • the winding head is insulated with the same insulation tape that is used in the groove of the active part.
  • the winding head is impregnated with the same wrapping tape and soaking resin and then cured as the active part.
  • Winding the winding head is time-consuming and therefore also cost-intensive.
  • the previously required impregnation process with impregnation resin is also time-consuming and cost-intensive.
  • the field strengths present in the winding head during operation are many times lower than in the active part and are less than 500V/mm in the wound insulation itself. No partial discharges can occur during operation. Nevertheless, according to the prior art, the winding head is insulated like the active part because separating the insulation production between the active part and the winding head would be much more complex.
  • Winding head insulation in particular ensures the dielectric barrier and prevents phase flashover and/or a ground fault from occurring in the event of contamination. Accordingly, the winding head insulation does not need increased resistance to partial discharges, but does generally have a certain minimum dielectric strength. This applies especially to traction machines with a temperature resistance of the insulation of greater than 200 ° C, which corresponds to heat class 200.
  • the object of the present invention is therefore to create a winding head insulation that, firstly, can be applied automatically and, secondly, is still stable at operating temperatures above 155 ° C, in particular up to 200 ° C or 220 ° C, and has the required dielectric strength shows and thus acts as a dielectric barrier on the winding head and prevents a phase flashover and/or a ground fault in the event of contamination.
  • the subject of the invention is a line element such as a winding head and / or a copper flat wire of an electrical rotating machine with a rated voltage greater than 700 volts with powder paint insulation
  • the powder paint formulation for producing the powder paint insulation being at least two uncrosslinked, at room temperature -RT - under normal conditions, i.e. at approx. 20 ° C solid plastic components include at least a first, uncrosslinked polyimide-containing, in particular a bis-maleimide, plastic component and a second, uncrosslinked epoxy-containing plastic component, which is in the powder coating formulation in a mixing ratio of 99: 1 up to 1:99 are included.
  • the invention also relates to a method for producing insulation of a line element, such as a winding head and/or a flat copper wire, comprising the following method steps:
  • thermoset powder coating formulation with at least two uncrosslinked plastic components, at least a first uncrosslinked polyimide-containing plastic component, in particular a bis-maleimide plastic component, and at least a second, uncrosslinked epoxy-containing plastic component being contained in the powder coating formulation are each at room temperature under normal conditions, i.e. at approx. 20 ° C as a solid,
  • the subject of the invention is an electrical rotating machine with a rated voltage greater than 700 volts, in which the insulation of the active part is different in terms of material to the insulation of the winding head.
  • hairpin technology which is a modern winding technology for stators in electrical machines
  • new methods are being tried out to replace mica tape insulation in the active part.
  • a copper flat wire with typical hairpin geometry is inserted into the grooves of the laminated core in a forming-based assembly process. It is possible to insulate the coil sides intended for the active part, which are part of the hairpin geometry, by, for example, injection molding with partial discharge-resistant material, in particular also containing siloxane, and then to provide the winding head produced after insertion into the slots with a dielectric-resistant material , but to provide less or no partial discharge-resistant insulation.
  • the general finding of the invention is therefore that the insulation of a line element, such as the winding head insulation and/or the insulation of a copper flat wire, can be produced quickly and automatically, for example using corona and/or tribo and/or fluidized bed processes, by powder coating with a duromer powder coating formulation is .
  • thermoset powder coating One or both winding heads of electrically rotating machines, motors and generators, are insulated with a thermoset powder coating. For example, this is done using Corona and/or tribo and/or fluidized bed process, automated, applied.
  • the partial conductors of the coils are first coated with partial conductor insulation.
  • the partial conductor insulation can be a wire enamel or a wound insulation.
  • the pulled coil e.g. B. the wound or the hairpin geometry, or the undrawn coil is isolated in some way in the active part, for example by individual coil production and/or by injection molding of the active part and/or by powder painting. Then all coils are inserted and e.g. B. glued into the groove using a kit or groove adhesive and connected to each other.
  • the result for example, is an electrical rotating machine using hairpin technology, in which the active part insulation can be produced by injection molding and the winding head insulation can be produced by powder coating according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the uncrosslinked powder coating formulation can be prepared simply by weighing and mixing, whereby the powder coating melts, degasses and/or is crosslinked onto the substrate, the coil or the coil part. After powder coating and obtaining a solid film, it is cured and cured at elevated temperature.
  • the powder coating formulation is sprayed onto an electrically conductive workpiece.
  • a so-called spray element for example the spray gun
  • the swirling powder is formed into a defined spray jet and at the same time electrostatically charged, with different charging methods being possible for the method applicable here.
  • the powder particles of the powder coating formulation are charged by the accumulation of free air ions, which are generated in the spray element by means of one or more live corona electrodes.
  • a negative voltage is chosen because the corona has a higher current and is more stable and the back-spray effects on the workpiece surface occur to a lesser extent.
  • the powder particles of the powder coating formulation are charged exclusively by friction-electric processes as they flow through a plastic channel in the spray element, for example in the spray gun, i.e. without a voltage generator.
  • the powder particles are positively charged.
  • the powder paint can contain all the components of a normal wet paint apart from the solvents and - depending on the plastic component composition - can be used at higher temperatures, e.g. B. above 100 ° C, in particular above 120 ° C, forms a closed film and then gels and hardens.
  • powder coating Compared to wet painting, powder coating has some advantages from a cost and/or environmental perspective: - Solvent-free coating material and minimal emissions,
  • powder coating can also be carried out using a vortex sintering process.
  • a powder bath made of moving air, in particular air flow, and the fluidized powder coating formulation is provided and a heated substrate is placed in this powder bath - e.g. B. even just a few seconds - immersed.
  • the powder sinters and then fuses and/or crosslinks to form a smooth plastic layer.
  • final insulation of the winding heads can be carried out by fluidized bed sintering at approx. 200 ° C.
  • one or more first polyimide-containing plastic component (s) and one or more second epoxy-containing plastic component (s) are present in the powder coating formulation.
  • a “polyimide” in solid but uncrosslinked powder coating is a monomer or oligomer of a plastic that has a “polyimide group”. This generally refers to a compound with a unit as shown in structural formula I:
  • the polyimide group is circled.
  • R2 can be equal to or different from R3 and can represent any organic molecular unit that is sterically possible on a C5 pentagon. It has been found that a bismalein polyimide in particular can be used advantageously as a polyimide component because a) it can be easily processed as a powder coating component in combination with the epoxy component and b) bismaleimide, in particular the species of this compound class shown below hardens to a polyimide that has the required dielectric strength.
  • the uncrosslinked polyimide is mixed with an uncrosslinked solid plastic component containing epoxy, which is contained in the powder coating formulation in a mixing ratio of 99:1 to 1:99.
  • the Ver- Mixing with a solid epoxy-containing plastic component also serves, among other things, to improve the mechanical properties and flow properties of the powder coating formulation in the coating process.
  • epoxy resin Any synthetic resin that carries an epoxy group is referred to as an “epoxy resin” or “epoxy-containing uncrosslinked plastic component”.
  • R can be any carbon-based molecular framework.
  • R can also include other epoxy groups, in particular terminal epoxide groups, which are suitable for crosslinking.
  • thermoset powder coating formulation in addition to the two uncrosslinked, solid polyimide-containing and epoxy-containing plastic components.
  • the two plastic components are heated through the use of temperature, e.g. B. in the form of convection and/or radiation energy, melted and then hardened in a crosslinking reaction.
  • temperature e.g. B. in the form of convection and/or radiation energy
  • This layer can be created in one or more layers by powder coating.
  • the formulation further comprises fillers, in particular spherically 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 quartz material, quartz powder and/or quartz glass.
  • the dielectric strength of the sprayable powder coating formulation can be increased by adding fillers, in particular mineral or/also synthetic fillers, such as quartz powder, quartz material, glass powder, in a mass fraction of, for example, 5% by weight to 65% by weight, in particular 10 % by weight to 60% by weight and particularly advantageously from 10% by weight to 55% by weight.
  • fillers in particular mineral or/also synthetic fillers, such as quartz powder, quartz material, glass powder, in a mass fraction of, for example, 5% by weight to 65% by weight, in particular 10 % by weight to 60% by weight and particularly advantageously from 10% by weight to 55% by weight.
  • the powder coating proposed here is ideal for automated implementation despite high dielectric strength without mica particles.
  • the powder coating formulation present at room temperature as a powder of solids also comprises fillers, in particular present in several fractions, as well as sintering aids and/or additives.
  • one or more additives can be contained in the powder coating formulation.
  • additives can be included to improve processability.
  • additives can be included to increase the stability of the insulation system.
  • one or more metal oxides such as e.g. B. TiO 2 and/or those with one of the following molecular formulas Na8Al 6 Si6O24S4 and/or Na6Al 6 Si6O24S2.
  • Further additives can be Fe2O3 and/or MnFe2Ü4 and/or electrically non-conductive Carbon based fillers, such as carbon black. If necessary, the additive particles can be provided with a SiCt coating partially or completely, over the entire surface or over part of the surface.
  • additives are particularly oxidation-inhibiting, so that the heat class or temperature index of a powder coating produced with them can be further increased.
  • Additives are mixed in, for example, during the production of the powder coating formulation.
  • Other additives, flow aids, color pigments, quartz particles and more can be mixed into the powder coating formulation.
  • the proportion of additive in the powder coating is, for example, in the range between 0.05 and 10% by weight, in particular in the range between 0.05 and 2% by weight and particularly preferably in the range between 0.1 and 1% by weight.
  • the powder coating disclosed here for producing the insulation of a line element of an electrical rotating machine with a rated voltage greater than 700 volts makes it possible to save the expensive and complex VPI process, which has so far been predominantly used to insulate the active part and the winding head. This makes it possible to dispense with conventional mica tapes and to automatically insulate the active part and winding head with appropriate insulation material.
  • insulating the winding head can be realized significantly faster and more cost-effectively than in comparison to the state of the art.
  • the level of automation in the production of an electric rotating machine will be significantly higher.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Leitungselement wie einen Wickelkopf und/oder einen Kupferflachdraht einer elektrischen rotierenden Maschine, insbesondere eines Elektromotors, Traktionsmotors und/oder Generators, mit effizient herstellbarer Isolation. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Isolation eines derartigen Leitungselements. Durch die hier offenbarte Pulverlackbeschichtung zur Herstellung der Isolation eines Leitungselements einer elektrischen rotierenden Maschine mit einer Bemessungsspannung größer 700 Volt kann der teure und aufwändige VPI-Prozess, der bislang zur Isolation des Aktivteils und des Wickelkopfes überwiegend eingesetzt wird, eingespart werden. So ist es möglich, auf die herkömmlichen Glimmerbänder zu verzichten und Aktivteil und Wickelkopf mit jeweils passendem Isolationsmaterial automatisiert zu isolieren. Insbesondere das Isolieren des Wickelkopfes ist deutlich schneller und preisgünstiger realisierbar als im Vergleich zum Stand der Technik. Außerdem wird der Automatisierungsgrad in der Produktion einer elektrischen rotierenden Maschine deutlich höher.

Description

Beschreibung
Leitungselement mit ef fi zient herstellbarer I solation
Die Erfindung betri f ft Leitungselement wie einen Wickelkopf und/oder einen Kupferflachdraht einer elektrischen rotierenden Maschine , insbesondere eines Elektromotors , Traktionsmotors und/oder Generators , mit ef fi zient herstellbarer I solation . Außerdem betri f ft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer I solation eines derartigen Leitungselements .
Bekannt sind elektrische rotierende Maschinen im Mittel- und Hochspannungsbereich wie Elektromotoren und elektrische Generatoren . Diese Maschinen zeichnen sich durch eine Viel zahl verschiedener Bauformen und Einsatzbereiche aus . Sie werden in sämtlichen Bereichen der Technik, der Industrie , des Alltags , des Verkehrswesens , der Medi zin und anderen Gebieten verwendet . Der Leistungsbereich elektrischer Maschinen erstreckt sich von Größenordnungen unterhalb von einem Mikrowatt z . B . in der Mikrosystemtechnik bis hinaus über ein Gigawatt , also Tausendmal eine Million Watt , wie beispielsweise im Kraftwerksbereich . Dazwischen liegt die Mittelspannungs- Anwendung mit den Traktions- und Antriebsmotoren im Fahrzeugbereich, Schienenfahrzeugbereich, etc .
Allen rotierenden elektrischen Maschinen gemeinsam sind Leitungselemente wie Wickelkopf , kupf er-Flachdraht in Hairpin- Technologie und/oder Drahtspulen, die von elektrischem Strom durchflossen werden . Zur elektrischen I solation der stromdurchflossenen Leitungselemente gegeneinander und gegenüber der äußeren Umgebung weisen elektrische Maschinen I solationssysteme auf .
Elektrische rotierende Maschinen, z . B . Elektromotoren und Generatoren ab einer Bemessungsspannung von 700 V umfassen einen Rotor, der vom Stator umgeben ist . Der Stator hat ein Blechpaket , in dem sich Nuten befinden, in die die elektrischen Leitungselemente in Form von Spulen oder als Einzelstäbe , die zu Spulen verschweißt oder verlötet werden, eingelegt sind . Jeweils zwei korrespondierende Einzelstäbe können mit- einander zur Bildung einer Spule verlötet werden . Die elektrischen Teilleiter sind in der Spule gegeneinander isoliert , die Spule zusätzlich mit einer Hauptisolierung aus Glimmer-haltigen I solierbändern versehen und abschließend optional abhängig vom Spannungsniveau noch mit einem leitfähigen Glimmschutz , insbesondere einem Außen- und/oder Endenglimmschutz versehen, so dass die Oberfläche der Spule auf dem gleichen Potential wie das Blechpaket liegt . Diesen Aufbau nennt man auch eine „geordnete" Wickelung im Gegensatz zu den elektrischen rotierenden Maschinen mit Drähten in einer „wilden" Wicklung, die in der Regel elektrische rotierende Maschinen einer Bemessungsspannung kleiner 700 Volt betreffen .
Bei elektrischen rotierenden Maschinen im Hoch- und/oder Mittelspannungsbereich liegen Spulen aus gegeneinander beispielsweise über Bewicklung und/oder Drahtlack isolierte Teilleitern vor . Diese werden aus Rohlingen, wie einem Spulenfisch 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 untereinander 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 I solationssystem isoliert . Das I solationssystem umfasst regelmäßig die Hauptisolation, die einen reinen I solator darstellt und das Glimmschutzsystem, das die Komponenten Außenglimmschutz und/oder Endenglimmschutz umfasst , wobei ein Glimmschutzsystem zur besseren Teilentladungsresistenz auch eine geringe elektrisch Leitfähigkeit zeigt .
Weitestgehend ist die spannungs führende Spule dabei durch die Hauptisolation aus polymerbasierten Werkstof fen vom geerdeten Blechpaket isoliert . Um ein Maximum an Leistung aus der Maschine heraus zuholen, wird sie bei höchstmöglichen Stromdich- ten betrieben, wodurch aber auch nennenswerte Verluste in Form von Hitze entstehen.
Bei großen Elektromotoren ist die maximale übliche Betriebstemperatur ca. 155°C. Für diese Betriebstemperaturen ist es bekannt, ein Isolationssystem aus Glimmerband und epoxidbasierten duroplastischen Kunststoffen einzusetzen. Der Motor ist so ausgelegt, dass die maximale Aufheizung - auch der Isolation - 155°C nicht oder nur unwesentlich überschreitet.
Um die Leistungsdichte einer solchen Maschine zu erhöhen, wird entweder die Spannung erhöht oder die Stromstärke. Würde die Spannung erhöht werden, müsste dauerhaft eine höhere Feldstärke über das Isolationssystem abgebaut werden. Dafür sind die herkömmlich bekannten Isolationssysteme auf Epoxidbasis nicht ausgelegt.
Wird die Stromstärke erhöht, dann wird das Isolationssystem thermisch stärker belastet, zumindest kurzzeitig sogar auf über 200°C. Dafür werden Isolationssysteme mit den Materialien auf Basis von mAramid und Polyetherimid eingesetzt.
Bislang werden alle Komponenten eines Isolationssystems, also Hauptisolation und Glimmschutz, wie insbesondere Außenglimmschutz AGS und Endenglimmschutz EGS, in der Regel als Bänder auf die Teilleiter auf gewickelt , wobei Teile davon, wie der EGS, auch per Hand appliziert werden können. Die anderen Teile können auch nicht vollautomatisiert aufgebracht werden, weil entweder die Stückzahl das Automatisieren nicht wirtschaftlich macht und/oder die Gefahr von Lufteinschlüssen in den Falten der Wickelbänder die Qualität nicht gewährleistet, die bei der Wicklung erforderlich ist. Die Bänder, die gewickelt werden, haben meistens verklebte Glimmerplättchen, die in der Isolation dazu dienen, den Erosionsweg im Isolationssystem zu verlängern, also den direkten Weg von der Spannungsseite, den Leitungselementen, hin zum geerdeten Blechpaket, wodurch eine deutlich längere Lebensdauer eines Isolationssystems resultiert. Aktuell wird bei den rotierenden elektrischen Maschinen, wie insbesondere Traktionsmotoren und Industriemotoren der Wickelkopf mit dem gleichen I solationsband, welches in der Nut des Aktivteils verwendet wird, isoliert . Beim bislang üblichen Tränkprozess wird daher der Wickelkopf mit dem gleichen Wickelband und Tränkharz imprägniert und anschließend ausgehärtet wie der Aktivteil .
Das Bewickeln des Wickelkopfes ist zeitintensiv und demnach auch kostenintensiv . Der bislang benötigte Imprägnierprozess mit Tränkharz ist ebenfalls zeit- und kostenintensiv .
Die im Wickelkopf im Betrieb vorliegenden Feldstärken sind um ein Viel faches geringer als im Aktivteil und sind kleiner als 500V/mm in der gewickelten I solation selbst . Im Betrieb können dort keine Teilentladungen auftreten . Dennoch wird nach dem Stand der Technik der Wickelkopf wie der Aktivteil isoliert , weil eine Abtrennung der I solationsherstellung zwischen Aktivteil und Wickelkopf noch viel aufwändiger wäre .
Eine Wickelkopfisolation stellt insbesondere die dielektrische Barriere sicher und verhindert , dass es im Falle einer Verschmutzung zu einem Phasenüberschlag und/oder einem Erdschluss kommen kann . Demnach braucht die Wickelkopfisolation keine gesteigerte Resistenz gegenüber Teilentladungen, hat aber grundsätzlich eine gewissen Mindest- Durchschlags f estigkeit . Dies gilt vor allem bei Traktionsmaschinen mit einer Temperaturbeständigkeit der I solation von größer 200 ° C, was der Wärmeklasse 200 entspricht .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher eine Wickelkopf- I solation zu schaf fen, die erstens automatisiert applizierbar ist und zweitens auch bei Betriebstemperaturen oberhalb 155 ° C, insbesondere auch bis zu 200 ° C oder 220 ° C noch stabil ist , die geforderte Durchschlags festigkeit zeigt und so am Wickelkopf als dielektrische Barriere fungiert und im Falle einer Verschmutzung einen Phasenüberschlag und/oder einen Erdschluss verhindert . Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen of fenbart ist , gelöst .
Demnach ist Gegenstand der Erfindung ein Leitungselement wie ein Wickelkopf und/oder ein Kupferflachdraht einer elektrischen rotierenden Maschine einer Bemessungsspannung größer 700 Volt mit Pulverlackisolation, wobei die Pulverlackformulierung zur Herstellung der Pulverlackisolation zumindest zwei unvernetzte , bei Raumtemperatur -RT - unter Normalbedingungen, also bei ca . 20 ° C fest vorliegende , Kunststof f kompo- nenten umfasst , zumindest eine erste , unvernetzte Polyimidhaltige , insbesondere eine Bis-maleinimid- Kunststof f komponente und eine zweite , unvernetzte Epoxidhaltige Kunststof f komponente , die in der Pulverlackformulierung in einem Mischungsverhältnis von 99 : 1 bis 1 : 99 enthalten sind .
Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer I solation eines Leitungselements , wie eines Wickelkopfs und/oder eines Kupferflachdrahtes , folgende Verfahrensschritte umfassend :
- Bereitstellung einer duromeren Pulverlackformulierung mit zumindest zwei unvernetzten Kunststof f komponenten, wobei zumindest eine erste unvernetzte Polyimid-haltige Kunststof f komponente , insbesondere eine Bis-maleinimid- Kunststof f komponente und zumindest eine zweite , unvernetzte Epoxid-haltige Kunststof f komponente in der Pulverlackformulierung enthalten sind, die j eweils bei Raumtemperatur unter Normalbedingungen, also bei ca . 20 ° C als Feststof f vorliegen,
- Einmalige oder mehrmalige Pulverbeschichtung eines Wickelkopfes sowie anschließende
- Aus- und/oder Nachhärtung der so erhaltenen Pulverbeschichtung . Schließlich ist Gegenstand der Erfindung eine elektrische rotierende Maschine mit einer Bemessungsspannung größer 700 Volt , bei der die I solation des Aktivteils vom Material her ungleich ist zu der I solation des Wickelkopfes .
Insbesondere bei der Hairpin-Technologie , die eine moderne Wickeltechnologie für Statoren in elektrischen Maschinen darstellt , werden neue Methoden als Ersatz der Glimmerbandisolation im Aktivteil ausprobiert . Beispielsweise wird anstelle der Wickel-technologie bei der die Leitungselemente in die Nut gewickelt werden, wird hier ein Kupferflachdraht mit typischer Hairpin-Geometrie in einem umformbasierten Montageverfahren in die Nuten des Blechpakets eingebracht . Dabei ist es möglich, die für den Aktivteil vorgesehenen Spulenseiten, die Teil der Hairpin-Geometrie sind, durch beispielsweise Spritzgießen mit Teilentladungsresistentem, insbesondere auch Siloxan-haltigem, Material zu isolieren und dann den nach der Einlegung in die Nuten hergestellten Wickelkopf mit einer durchschlags festen, aber weniger oder gar nicht Teilentla- dungs-resistenten I solation zu versehen .
Genau hier setzt die Erfindung an, in dem sie die Aufgabe löst , eine unkompli ziert appli zierbare Wickelkopfisolation zu schaf fen, die die geforderte Durchschlags festigkeit zeigt , aber nicht die teuren Harze für die Teilentladungsresistenten I solationen des Aktivteils einsetzt .
Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es daher, dass durch Pulverbeschichtung mit einer duromeren Pulverlackformulierung die I solation eines Leitungselements wie die Wickelkopfisolation und/oder die I solation eines Kupferflachdrahtes schnell und automatisiert , beispielsweise mittels Corona- und/oder Tribo- und/oder Wirbelbettverfahren, herstellbar ist .
Gemäß der Erfindung wird z . B . einer oder werden beide Wickelköpfe von elektrisch rotierenden Maschinen, Motoren und Generatoren, mit einem Duromeren Pulverlack durch Pulverlackbeschichtung isoliert . Beispielsweise wird diese mittels Corona- und/oder Tribo- und/oder Wirbelbettverfahren, automatisiert , aufgebracht .
Dabei werden für die I solation des Aktivteils der elektrisch rotierenden Maschine die Teilleiter der Spulen zunächst mit einer Teilleiterisolation beschichtet . Die Teilleiterisolation kann ein Drahtlack oder eine bewickelte I solation sein .
Nun wird die gezogene Spule , z . B . die gewickelte oder die in Hairpin-Geometrie , oder auch die ungezogene Spule in irgendeiner Art und Weise im Aktivteil isoliert , beispielsweise durch Einzelspulenfertigung und/oder durch Spritzgießen des Aktivteils und/oder durch Pulverlackieren . Dann werden alle Spulen eingelegt und z . B . mit einem Kit oder einem Nutkleber in die Nut j eweils eingeklebt und miteinander verschaltet .
Nun wird am Wickelkopf inklusive Schaltung noch durch Pulverbeschichtung gemäß einer vorteilhaften Aus führungs form des Verfahrens eine I solation hergestellt .
Als Resultat erhält man beispielsweise eine elektrische rotierende Maschine in Hairpin-Technologie , bei der die Aktivteilisolation durch Spritzgießen und die Wickelkopfisolation durch Pulverbeschichtung nach einem Aus führungsbeispiel der Erfindung herstellbar ist .
Die Bereitstellung der unvernetzten Pulverlackformulierung gelingt einfach durch Abwiegen und Mischen, wobei der Pulverlack auf dem Substrat , der Spule oder des Spulenteils , anschmil zt , entgast und/oder an-vernetzt wird . Nach der Pulverbeschichtung und dem Erhalt eines festen Films wird bei erhöhter Temperatur nach- und ausgehärtet .
Man unterscheidet dabei 2 Arten der Pulverbeschichtungen, zum einen die
-elektrostatische Pulverbeschichtung, die entweder über Korona, als Aufladung durch einen Generator oder über die so genannte „Tribo"-Methode , mit Reibungs-Aufladung funktioniert und zum zweiten die - Wirbelsintermethode , die auch aus dem Automobilbereich in Form von „Pulverslurry" bekannt ist .
Beim elektrostatischen Pulverbeschichten wird die Pulverlackformulierung auf ein elektrisch leitendes Werkstück aufgesprüht . Mit einem so genannten Sprühorgan, also beispielsweise der Sprühpistole , wird das wirbelnde Pulver zu einem definierten Sprühstrahl geformt und gleichzeitig elektrostatisch aufgeladen, wobei für das hier anwendbare Verfahren unterschiedliche Aufladungsmethoden möglich sind .
Bei Corona-Sprühsystemen erfolgt die Aufladung der Pulverteilchen der Pulverlackformulierung durch Anlagerungen freier Luftionen, die mittels einer oder mehrerer spannungs führender Corona Elektroden im Sprühorgan erzeugt werden . In der Regel wird eine negative Spannung gewählt , weil die Corona stromstärker und stabiler ist und die Rücksprühef fekte an der Werkstückoberfläche in geringerem Maße auftreten . An der Corona Elektrode liegt eine Spannung von bis zu 100 kV an .
Bei „Tribo"-Sprühsystemen werden die Pulverteilchen der Pulverlackformulierung ausschließlich durch reibungselektrische Vorgänge beim Durchströmen eines Kunststof f kanals im Sprühorgan, also beispielsweise in der Sprühpistole , aufgeladen also ohne Spannungserzeuger . Dabei werden die Pulverteilchen positiv aufgeladen .
Nach dem Besprühen erfolgt das Aushärten und/oder das Einbrennen, wobei der Pulverlack außer den Lösemittel alle Bestandteile eines normalen Nasslacks enthalten kann und so - abhängig von der Kunststof f-Komponenten-Zusammenset zung bei höheren Temperaturen, z . B . über 100 ° C, insbesondere über 120 ° C zu einem geschlossenen Film verläuft und anschließend dann angeliert und aushärtet .
Gegenüber den Nasslackierungen gibt es beim Pulverbeschichten einige Vorteile unter Kosten- und/oder Umwelt- Gesichtspunkten : - Lösemittel freies Beschichtungsmaterial und minimale Emission,
- Kreislauf führen des Pulverlacks möglich,
- einfache manuelle Handhabung einer Sprühpistole oder eines sonstigen Sprühorgans und zur Automatisierung geeignet .
Alternativ dazu lässt sich Pulverbeschichtung auch durch ein Wirbelsinterverfahren aus führen . Dabei wird ein Pulverbad aus bewegter Luft , insbesondere Luftstrom, und der fluidisierten Pulverlackformulierung bereitgestellt und ein erhitztes Substrat in dieses Pulverbad - z . B . auch nur einige Sekunden - eingetaucht . Beim Kontakt mit dem heißen Substrat sintert das Pulver an und verschmil zt und/oder vernetzt anschließend zu einer glatten Kunststof f schicht . Beispielsweise kann bei der Herstellung des I solationssystems eine finale I solation der Wickelköpfe durch Wirbelbettsintern bei ca . 200 ° C erfolgen .
Nach einer vorteilhaften Aus führungs form der Erfindung liegen in der Pulverlackformulierung eine oder mehrere erste Polyimid-haltige Kunststof f komponente (n) und eine oder mehrere zweite Epoxid-haltige Kunststof f komponente (n) vor .
Als „Polyimid" im festen aber unvernetzten Pulverlack wird ein Monomer oder Oligomer eines eine „Polyimidgruppe" aufweisenden Kunststof fs bezeichnet . Dies bezeichnet im Allgemeinen eine Verbindung mit einer Einheit wie in Strukturformel I wieder gegeben :
Figure imgf000010_0001
I . Die Polyimidgruppe ist dabei eingekreist .
R2 kann gleich oder ungleich R3 sein und j ede beliebige organische Moleküleinheit , die an einem C5-Fünfring sterisch möglich ist , darstellen . Dabei hat sich herausgestellt , dass als Polyimidkomponente insbesondere ein Bismalein-Polyimid vorteilhaft eingesetzt werden kann, weil es a) sich als Pulverlack-Bestandteil in Kombination mit der epoxidischen Komponente gut verarbeiten lässt und b) Bismaleinimid, insbesondere die unten gezeigten Spezies dieser Verbindungsklasse , sich zu einem Polyimid aushärtet , das die geforderte Durchschlags festigkeit aufweist .
Bevorzugte Bismaleinimide sind solche , die durch folgende
Strukturformeln wiedergegeben werden :
Figure imgf000011_0001
Gemäß der Erfindung wird das unvernetzte Polyimid noch mit einer unvernetzten Epoxid-haltigen festen Kunststof f komponen- te , die in der Pulverlackformulierung in einem Mischungsverhältnis von 99 : 1 bis 1 : 99 enthalten ist , vermischt . Das Ver- mischen mit einer festen Epoxid-haltigen Kunststof f komponente dient unter anderem auch dazu, dass die mechanischen Eigenschaften und die Verlaufseigenschaften der Pulverlackformulierung im Beschichtungsprozess verbessert werden .
Als „Epoxidharz" oder „Epoxid-haltige unvernetzte Kunststof fkomponente" wird j edes Kunstharz bezeichnet , das eine Epoxidgruppe trägt .
Figure imgf000012_0001
R kann ein beliebiges Kohlenstof f-basiertes Molekülgerüst sein . R kann auch weitere Epoxidgruppen umfassen, insbesondere endständige Epoxidgruppen, die sich zur Vernetzung eignen .
Nach einer vorteilhaften Aus führungs form der Erfindung kann noch ein oder mehrere weitere Bindemittel , thermoplastische Bindemittel neben den beiden unvernetzten fest vorliegenden Polyimid-haltigen und Epoxid-haltigen Kunststof f komponenten in der duromeren Pulverlackformulierung vorliegen .
In der aufgebrachten Pulverlackformulierung werden die beiden Kunststof f komponenten durch den Einsatz von Temperatur, z . B . in Form von Konvektions- und/oder Strahlungsenergie , angeschmol zen und dann in einer Vernetzungsreaktion ausgehärtet .
Nach einer vorteilhaften Aus führungs form der Erfindung wird die Pulverlackformulierung so aufgebracht , dass eine Dicke der daraus gebildeten I solations- und/oder Glimmschutzschicht von >/= 100pm resultiert . Diese Schicht kann einlagig oder mehrlagig durch Pulverbeschichtung erzeugt werden .
Nach einer vorteilhaften Aus führungs form umfasst die Formulierung des Weiteren noch Füllstof fe , insbesondere sphärisch geformte und/oder unregelmäßig geformte Füllstof fe . Die Füllstof fe können kristallin und/oder amorph vorliegen . Bevorzugt sind die Füllstof fe auf Sili ziumdioxid-Basis , beispielsweise enthalten sie Quarzgut , Quarzmehl und/oder Quarzglas .
Es wurde erkannt , dass die Durchschlags festigkeit der sprühbaren Pulverlackformulierung durch Zugabe von Füllstof fen, insbesondere von mineralischen oder/auch synthetischen Füllstof fen, wie Quarzmehl , Quarzgut , Glasmehl , in einem Masseanteil von beispielsweise 5 Gew% bis 65 Gew% , insbesondere von 10 Gew% bis 60Gew% und insbesondere vorteilhaft von 10 Gew% bis 55 Gew% erhöht wird .
So kann auf den Einsatz der zum Band verklebten großen Glimmerplättchen verzichtet und die Wickelkopfisolation in Form einer Pulverlackformulierung automatisiert durch Versprühen und/oder Eintauchen appli ziert und hergestellt werden .
Die hier vorgeschlagene Pulverlackierung eignet sich hervorragend zu automatisierten Durchführung trotz hoher Durchschlags festigkeit ohne Glimmerpartikel .
Nach einer vorteilhaften Aus führungs form der Erfindung umfasst die bei Raumtemperatur als Pulver von Feststof fen vorliegende Pulverlackformulierung noch Füllstof fe , insbesondere in mehreren Fraktionen vorliegend, sowie Sinterhil fen und/oder Additive .
Nach einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form der Erfindung können in der Pulverlackformulierung ein oder mehrere Additive enthalten sein . Beispielsweise können Additive zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit enthalten sein .
Andererseits oder ergänzend können Additive zur Erhöhung der Stabilität des I solationssystems enthalten sein . Beispielsweise können ein oder mehrere Metalloxid ( e ) , wie z . B . TiO2 und/oder solche mit einer der folgenden Summenformeln Na8Al6Si6O24S4 und/oder Na6Al6Si6O24S2 . Weitere Additive können Fe203 und/oder MnFe2Ü4 und/oder elektrisch nichtleit fähige Kohlenstoff basierte Füllstoffe, wie z.B. Industrieruß sein. Bei Bedarf können die Additiv-Partikel teilweise oder ganz, vollflächig oder teilflächig, mit einer SiCt-Beschichtung ausgestattet vorliegen.
Diese Additive sind insbesondere auch oxidationshemmend, so dass die Wärmeklasse oder der Temperatur-Index einer damit hergestellten Pulverbeschichtung weiter erhöht werden kann.
Additive werden beispielsweise bei der Herstellung der Pulverlackformulierung zugemischt. Weitere Additive, Verlaufshilfsmittel, Farbpigmente, Quarzpartikel und weiteres können der Pulverlackformulierung zugemischt werden.
Der Anteil an Additiv in der Pulverlackbeschichtung liegt beispielsweise im Bereich zwischen 0,05 und 10 Gew%, insbesondere im Bereich zwischen 0,05 und 2 Gew% und besonders bevorzugt im Bereich zwischen 0,1 und 1 Gew% .
Durch die hier offenbarte Pulverlackbeschichtung zur Herstellung der Isolation eines Leitungselements einer elektrischen rotierenden Maschine mit einer Bemessungsspannung größer 700 Volt kann der teure und aufwändige VPI-Prozess, der bislang zur Isolation des Aktivteils und des Wickelkopfes überwiegend eingesetzt wird, eingespart werden. So ist es möglich, auf die herkömmlichen Glimmerbänder zu verzichten und Aktivteil und Wickelkopf mit jeweils passendem Isolationsmaterial automatisiert zu isolieren. Insbesondere das Isolieren des Wickelkopfes ist deutlich schneller und preisgünstiger realisierbar als im Vergleich zum Stand der Technik. Außerdem wird der Automatisierungsgrad in der Produktion einer elektrischen rotierenden Maschine deutlich höher.

Claims

Patentansprüche
1 . Leitungselement einer elektrischen rotierenden Maschine einer Bemessungsspannung größer 700 Volt mit Pulverlackbeschichtung als I solation, wobei eine Pulverlackformulierung eingesetzt wird, die zumindest zwei unvernetzte , bei Raumtemperatur -RT - unter Normalbedingungen, also bei ca . 20 ° C fest vorliegende , Kunststof f komponenten umfasst , zumindest eine erste , unvernetzte Polyimid-haltige Kunststof f komponente und eine zweite , unvernetzte Epoxid-haltige Kunststof fkomponente , die in der Pulverlackformulierung in einem Mischungsverhältnis von 99 : 1 bis 1 : 99 enthalten sind .
2 . Leitungselement nach Anspruch 1 , wobei die erste unvernetzte Polyimid-haltige Komponente der Pulverlackformulierung ein Bismaleinpolyimid umfasst .
3 . Leitungselement nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , wobei die erste unvernetzte Polyimid-haltige Kunststof f komponente der Pulverlackformulierung ein Gemisch, ein Copolymer und/oder ein Blend, mehrere Polyimid-haltige Kunststof f komponenten umfassend, enthält .
4 . Leitungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche , wobei die zweite unvernetzte Epoxid-haltige Kunststof f komponente der Pulverlackformulierung ein oder mehrere feste Epoxidharze umfasst .
5. Leitungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche , wobei die zweite unvernetzte Epoxid-haltige Kunststof f komponente der Pulverlackformulierung ein Gemisch, ein Copolymer und/oder ein Blend, mehrere Epoxid-haltige Kunststof f komponenten umfassend, enthält . Leitungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche , wobei die beiden unvernetzten Kunststof f kompo- nenten in der Pulverlackformulierung als Gemisch, Blend oder Copolymer vorliegen . Leitungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche , wobei die Pulverlackformulierung Füllstof fe enthält . Leitungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche , wobei die Pulverlackformulierung Additive enthält . Verfahren zur Herstellung einer I solation eines Leitungselements folgende Verfahrensschritte umfassend : o Bereitstellung einer duromeren Pulverlackformulierung mit zumindest zwei unvernetzten Kunststof fkom- ponenten, wobei zumindest eine erste unvernetzte Polyimid-haltige Kunststof fkomponente und zumindest eine zweite , unvernetzte Epoxid-haltige Kunststof fkomponente in der Pulverlackformulierung enthalten sind, die j eweils bei Raumtemperatur unter Normalbedingungen, also bei ca . 20 ° C als Feststof f vorliegen, o Einmalige oder mehrmalige Pulverbeschichtung des Leitungselements sowie anschließende o Aus- und/oder Nachhärtung der so erhaltenen Pulverbeschichtung . Verfahren nach Anspruch 9 , das automatisiert durchgeführt wird . Verfahren nach Anspruch 9 oder 10 , bei dem das Leitungselement ein Wickelkopf ist . Verfahren nach Anspruch 9 oder 10 , bei dem das Leitungselement ein Kupfer-Flachdraht ist . Elektrische rotierende Maschine mit einer Bemessungsspannung größer 700 Volt , bei der das Material der Aktivteilisolation ungleich dem Material der Wickelkopfisolation ist . Elektrische rotierende Maschine nach Anspruch 13 , bei der das Material der Aktivteilisolation Siloxanhaltig ist und das Material der Wickelkopfisolation nicht . Elektrische rotierende Maschine nach Anspruch 13 oder 14 , bei der die I solation des Wickelkopfes Glimmerband- frei ist . Elektrische rotierende Maschine in Hairpin- Technologie , bei der die Aktivteilisolation durch Spritzgießen und die Wickelkopfisolation durch Pulverbeschichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11 herstellbar ist .
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