DE4426695A1 - Verfahren zur Herstellung einer Isolation - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung ei­ ner Isolation für elektrisch leitende Bauteile gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruches 1.

Eine solche Isolation ist besonders für Bauteile von rotierenden elektrischen Maschinen geeignet. Die bis jetzt bekannten Isolati­ onen dieser Art werden durch Glasgewebebänder gebildet, die einen Belag aus Glimmer aufweisen. Hiermit werden die Schäden an der Isolation gemindert, welche durch Teilentladungen elektrischer Felder beispielsweise in Lufteinschlüssen der Isolation verur­ sacht werden. Die mit dem Belag versehenen Gewebebänder werden um die zu isolierenden Bauteile gewickelt. Die Verfestigung des Iso­ lationsmaterials und seine dauerhafte Verbindung mit dem Bauteil erfolgt mit Hilfe eines Harzes.

Bei einem bekannten Verfahren werden die Bänder vor dem Wickeln mit dem Harz imprägniert. Das Harz wird vor dem Wickeln vorge­ trocknet und nach dem Wickeln ausgehärtet. Die Aushärtung des Harzes erfolgt durch heißes Pressen in Formwerkzeugen.

Bei einem anderen bekannten Verfahren werden die mit Glimmerbelag versehenen Glasgewebebänder unmittelbar um die zu isolierenden Bauteile gewickelt. Das Harz wird anschließend mittels Vakuum/-Druck­ imprägnierung in die Isolation eingebracht und thermisch ausgehärtet. Beide Verfahren sind arbeits- und kostenintensiv. Bei dem zuletzt beschriebenen Verfahren müssen aus produktions­ technischen Gründen große Mengen Flüssigharz bevorratet und gewartet werden, was ein Gefahrenpotential für die Arbeitsbe­ reiche und die Umwelt bedeutet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzu­ zeigen, mit dem eine Isolation für elektrisch leitende Bauteile unter Umgehung der eingangs genannten Nachteile energie- und zeitsparend sowie kostengünstig und umweltfreundlich hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Pa­ tentanspruches 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein Isolations­ material aus einem Trägermaterial in Form von Bändern, Folien oder Matten gefertigt. Diese werden beispielsweise aus Glasge­ webe, Polyetheretherketon, Polyethylennaphtalat oder Polysulfon hergestellt. Das Trägermaterial ist ein oder beidseitig mit einem Belag aus SiO_x, Al₂O₃, Cr₂O₃ oder Glimmer versehen, wobei x einen Wert von 2 oder kleiner annehmen kann. Mit Hilfe dieses Belages werden Schäden an der Isolation gemindert, welche durch Teilent­ ladungen elektrischer Felder beispielsweise in Lufteinschlüssen der Isolation verursacht werden können. Das Isolationsmaterial wird anschließend mit einer chemischen Verbindung imprägniert. Diese wird so gewählt, daß sie mittels Strahlungspolymerisation, mittels Strahlungspolymerisation und der Zufuhr von Wärme oder auch nur thermisch ausgehärtet werden kann. Die chemische Verbin­ dung wird so gewählt, daß ihre Polymerisation mittels UV-Strah­ lung oder Elektronenstrahlung aktiviert werden kann. Die Akti­ vierung der Polymerisation erfolgt mittels UV-Strahlung, die vor­ zugsweise eine Wellenlänge zwischen 200 nm bis 500 nm aufweist. Die Verwendung von Elektronenstrahlung in einem Bereich zwischen 150 keV bis 4,5 MeV ist ebenfalls möglich. Erfindungsgemäß kann das isolationsmaterial auch mit einer organisch modifizierten Keramik imprägniert werden. Der organische Anteil dieser Keramik besteht aus Epoxid-, Acrylat- oder Vinylgruppen. Die Polymerisa­ tion des organischen Anteils in der Keramik wird ebenfalls durch Strahlungspolymerisation mit oder ohne Zufuhr von Wärme oder ausschließlich mittels Zufuhr von Wärme bewirkt. Wird das Iso­ lationsmaterial mit einer modifizierten Keramik imprägniert, so kann gegebenenfalls auf einen Belag der obenbeschriebenen Art verzichtet werden, da die Keramik selbst in der Lage ist, Schä­ digungen durch Teilentladungen zu mindern. Mit Hilfe der modifi­ zierten Keramik ist es auch möglich, die Beläge aus Glimmer dau­ erhaft mit dem Trägermaterial für die Fertigung des Isolationsma­ terials zu verbinden.

Das Verfestigen und Verbinden des imprägnierten Isolationsmate­ rials mit dem zu isolierenden Bauteil kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß das imprägnierte Isolationsmaterial zunächst bestrahlt und anschließend um das zu isolierende Bauteil ge­ wickelt wird. Durch geeignete Wahl der chemischen Verbindung, welche für die Imprägnierung verwendet wird, kann erreicht wer­ den, daß die Polymerisation und Aushärtung während und nach dem Wickeln bei Raumtemperatur abläuft.

Das Isolationsmaterial kann auch mit einer solchen Imprägnierung versehen werden, bei der die Polymerisation erst nach dem Um­ wickeln des Bauteils mit dem Isolationsmaterial bei erhöhter Tem­ peratur erfolgt. Hierfür wird das Isolationsmaterial zunächst im­ prägniert. Daraufhin zum Aktivieren der Polymerisation bestrahlt und im Anschluß daran um das Bauteil gewickelt. Die Polymerisa­ tion und Aushärtung erfolgt nach dem Umwickeln des Bauteils bei einer Temperatur von 50°C oder einer darüberliegenden Temperatur.

Ebenso kann das imprägnierte Isolationsmaterial auch beim Wickeln bestrahlt und die Imprägnierung gleichzeitig bei einem definierten Druck, der zur Formgebung auf das Isolationsmaterial ausgeübt wird, polymerisiert und ausgehärtet werden.

Das imprägnierte Isolationsmaterial kann andererseits auch zuerst vollständig um das zu isolierende Bauteil gewickelt werden. Die Polymerisation wird im Anschluß daran durch Bestrahlung des iso­ lierten Bauteils aktiviert. Die Polymerisation und die Aushärtung laufen in Anschluß daran bei einer definierten Temperatur ab. Wird das Isolationsmaterial mit einer organisch modifizierten Ke­ ramik imprägniert, so kann die Polymerisation und Aushärtung bei­ spielsweise ausschließlich mittels Wärmebehandlung bewirkt wer­ den. Es besteht jedoch auch hierbei die Möglichkeit, die Polyme­ risation des organischen Anteils in dieser Keramik mittels der oben beschriebenen Strahlung zu aktivieren.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind in den Unteransprü­ chen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen Zeich­ nung erläutert.

Die einzige zur Beschreibung gehörige Figur zeigt ein stabför­ miges Bauteil 10 mit einem rechteckigen Querschnitt. Dieses Bau­ teil 10 ist Bestandteil einer rotierenden elektrischen Maschine (hier nicht dargestellt). Das Bauteil 10 wird mit Hilfe des er­ findungsgemäßen Verfahren mit einer Isolation 1 versehen. Zur Ausbildung eines geeigneten Isolationsmaterials wird beispiels­ weise ein bandförmiges Trägermaterial 2 verwendet. Es können auch matten- oder folienförmige Trägermaterialien verwendet werden. Das verwendete Trägermaterial wird beispielsweise aus Glasgewebe, Aramidgewebe, Polyetheretherketon, Polyethylenterephtalat, Poly­ ethylennaphtalat, Polysulfon oder Aramidgewebe gefertigt. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Trägermaterial 2 als Glasgewebeband ausgebildet. Um Beschädigungen der Isolation 1 durch Teilentladungen von elektrischen Feldern zu mindern, weist das Trägermaterial 2 einen Belag 3 auf, der aus SiO_x, Al₂O₃, Cr₂O₃ oder Glimmer bzw. einem Material mit ähnlichen Eigen­ schaften gebildet wird. X weist einen Wert von 2 oder kleiner auf. Der Belag 3 kann auf einer oder beiden Oberflächen des Trä­ germaterials 2 angeordnet sein. Dadurch wird ein Isolationsmate­ rial 5 gebildet, das um das Bauelement 10 gewickelt wird. Damit die Isolation 1 die erforderliche Festigkeit erhält, und dauer­ haft mit dem Bauteil 10 verbunden bleibt, wird das Isolations­ material 5 vor dem Wickeln um das Bauteil 10 mit einer chemischen Verbindung imprägniert, die wenigstens einen organischen Bestand­ teil enthält. Vorzugsweise erfolgt die Imprägnierung des Isolati­ onsmaterials 5 mit einem Harz, das einen Zusatz in Form eines Photoinitiators aufweisen kann. Als Harze eignen sich Epoxidharze in Form von Cycloaliphaten, Aromaten, Diglycidylethern oder Gly­ cidylestern, bzw. Acrylate oder Urethane, Polyester, Silikone, ungesättigte Polyesterimide oder ungesättigte Polyesterharze. Das Imprägniermaterial 4 kann einen Zusatz an Photoinitiatoren von wenigstens 0,5 bis 10 Gew.% bezogen auf das Gesamtgewicht des Im­ prägniermaterials 4 enthalten. Vorzugsweise werden Photoinitia­ toren in Form von Eisenhexafluorphosphat, Triarylsulfoniumsalz, Bisacylphosphinoxid, Benzyldimethylaminobutanon, Benzildimethyl­ ketal, Methylmorpholinopropanon, Benzoinether oder Benzophenon verwendet. Die Imprägnierung des Isolationsmaterials 5 kann ande­ rerseits auch mit einer organisch modifizierten Keramik erfolgen. Die Verfestigung des Isolationsmaterials 5 und seine Verbindung mit dem Bauteil 10 wird je nach Zusammensetzung der chemischen Verbindung 4 durch radikalische oder kationische Strahlungspoly­ merisation und Aushärtung der Imprägnierung 4 bewirkt. Die Poly­ merisation wird mit Hilfe von UV-Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 200 nm bis 500 nm aktiviert. Die Verwendung von Elektro­ nenstrahlung in einem Bereich zwischen 150 keV bis 4,5 MeV ist ebenfalls möglich.

Das mit der chemischen Verbindung 4 imprägnierte Isolations­ material 5 wird zunächst bestrahlt und anschließend um das Bau­ teil 10 gewickelt. Die Polymerisation und Aushärtung der Imprä­ gnierung 4 erfolgt anschließend bei Raumtemperatur. Dieses Ver­ fahren ist durch die geeignete Wahl des Harzes und eines Zu­ satzes, der Kationen liefert, möglich. Vorzugsweise wird für diese Imprägnierung ein cycloaliphatisches Harz mit einen Zusatz in Form von Eisenhexafluorphosphat oder Triarylsulfoniumsalz ver­ wendet. Die Menge des Zusatzes beträgt 0,5 bis 10 Gew% bezogen auf die Gesamtmenge der verwendeten Imprägnierung 4.

Es besteht anderseits die Möglichkeit, die Polymerisation und Aushärtung auch bei erhöhter Temperatur durchzuführen. Hierfür wird das imprägnierte und bestrahlte Isolationsmaterial 5 zu­ nächst um das Bauteil 10 gewickelt. Die Imprägnierung 4 erfolgt mit einem aromatischen oder cycloaliphatischen Epoxidharz, das einen Zusatz in Form von Eisenhexafluorphosphat oder Triarylsul­ foniumsalz aufweist. Die Menge des Zusatzes beträgt 0,5 bis 10 Gew% bezogen auf das Gesamtgewicht der verwendeten Imprägnierung 4. Die Polymerisation und Aushärtung erfolgt nach dem Wickeln bei einer Temperatur von 50°C oder mehr. Dabei kann die Isolation 1 gleichzeitig durch Pressen geformt werden. Ferner kann die Poly­ merisation und Aushärtung bei 50°C und mehr auch dadurch erreicht werden, daß das imprägnierte und bestrahlte Isolationsmaterial 5 um das Bauteil 10 gewickelt wird, wobei das Bauteil 10 auf diese Temperatur erwärmt ist.

Das Verfahren läßt sich auch in der Weise durchführen, daß das Isolationsmaterial 5 zunächst imprägniert wird. Die Imprägnierung 4 besteht in diesem Fall aus einem cycloaliphatischen Epoxidharz mit wenigstens einem Zusatz von 0,5 bis 10 Gew% Eisenhexafluor­ phosphat oder Triarylsulfoniumsalz. Andererseits können als strahlungshärtbare Harze auch Systeme wie Acrylate, Urethane, Polyester, Silikone oder deren Derivate verwendet werden. Diese sind um 0,5 bis 10 Gew% an Benzionether, Bisacylphosphinoxid, Benzyldimethylaminobutanon, Benzyldimethylketal, Methylmorpho­ linopropanon oder Benzophenon bezogen auf das Gesamtgewicht der Imprägnierung 4 ergänzt. Das Isolationsmaterial 5 wird anschlie­ ßend um das Bauteil 10 gewickelt und dabei bestrahlt. Mit Hilfe von Anpreßwerkzeugen (hier nicht dargestellt) wird die Isolation 1 in eine definierte Form gebracht. Mit dieser Wahl der Imprä­ gnierung 4 ist eine Polymerisation und Aushärtung während des Wickeln durch Strahlung möglich, wobei gleichzeitig die Form­ gebung mittels Druck bewirkt wird.

Bei einer anderen Ausführungsform des Verfahrens wird das Isolationsmaterial 5 zunächst mit der chemischen Verbindung 4 imprä­ gniert und um das Bauteil 10 gewickelt. Die Imprägnierung 4 wird durch ein cycloaliphatisches oder aromatisches Epoxidharz mit we­ nigstens einem Zusatz in Form von Eisenhexafluorphosphat oder Triarylsulfoniumsalz gebildet. Der Anteil der Zusätze beträgt hierbei 1 bis 10 Gew%. Die gesamte Isolation 1 wird dann be­ strahlt. Im Anschluß daran wird die Imprägnierung bei Raumtempe­ ratur oder einer höheren Temperatur polymerisiert und aus­ gehärtet.

Wie bereits oben erwähnt, kann das Isolationsmaterial auch mit einer organisch modifizierten Keramik imprägniert werden. In die­ sem Fall kann bei einer ausreichenden Teilchenentladungsbestän­ digkeit auf die Beläge 3 auf der Oberfläche des Trägermaterials 2 verzichtet werden. Die organisch modifizierte Keramik weist bei­ spielsweise einen organischen Anteil auf, der durch Epoxid-, Acrylat- oder Vinylgruppen gebildet wird. Dieser organische Anteil und die Keramik geben der Isolation 1 nach der Aushärtung die erforderliche Festigkeit und gewährleisten eine dauerhafte Verbindung mit dem Bauteil 10. Die Aushärtung des Imprägniermate­ rials 4 kann, wie in den obenbeschriebenen Beispielen, durch Strahlungspolymerisation oder ausschließlich durch die Zufuhr von Wärme bewirkt werden.

Wie bereits eingangs erwähnt, wird das Trägermaterial 2 ein- oder beidseitig mit einem Belag 3 versehen, um eine Beschädigungen der Isolation 1 durch Teilentladungen zu mindern. Der Belag 3 besteht aus SiO_x, Al₂O₃, Cr₂O₃ oder Glimmer bzw. einem Material mit ähnlichen Eigenschaften. Erfindungsgemäß besteht die Möglichkeit, diesen Belag 3 mit Hilfe dieser organisch modifizierte Keramik dauerhaft mit dem jeweiligen Trägermaterial zu verbinden.

Claims (16)

1. Verfahren zur Herstellung einer Isolation (1) für ein elektrisch leitendes Bauteil (10) mit einem Isolationsmaterial (5), das gegen Teilentladung geschützt ist, dadurch gekennzeich­ net, daß das Isolationsmaterial (5) mit einer chemischen Ver­ bindung (4) imprägniert wird, die zur Verfestigung der Isolation (1) und zur dauerhaften Verbindung derselben mit dem Bauteil (10) mittels Strahlungspolymerisation, Strahlungspolymerisation und der Zufuhr von Wärme oder ausschließlich thermisch ausgehärtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als Imprägnierungsmaterial dienende chemische Verbindung (4) wenigstens einen organischen Anteil aufweist, der zur Verfesti­ gung der Isolation (1) und zur dauerhaften Verbindung derselben mit dem Bauteil (10) strahlungspolymerisiert und/oder durch die Zufuhr von Wärme ausgehärtet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die chemischen Verbindung (4) durch eine radi­ kalische oder kationische Strahlungspolymerisation ausgehärtet wird, daß die chemische Verbindung (4) mit einem Zusatz in Form von Eisenhexafluorphosphat oder Triarylsulfoniumsalz für eine kationische Strahlungspolymerisation oder mit einem Zusatz in Form von Bisacylphosphinoxid, Benzyldimethylaminobutanon, Benzil­ dimethylketal, Methylmorpholinopropanon, Benzoinether oder Benzo­ phenon für eine radikalische Strahlungspolymerisation versehen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Ausbildung der Isolation (1) Trägermaterial (2) in Form von Bändern, Folien oder Matten verwendet wird, die aus Glasgewebe, Polyetheretherketon, Polyethylenterephthalat, Polyethylennaphtalat, Polysulfon oder Aramidgewebe gefertigt wer­ den.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Trägermaterial (2) zur Ausbildung des Iso­ lationsmaterials (5) und zur Minderung einer Schädigung durch Teilentladungen ein- oder beidseitig mit einem Belag (3) aus Glimmer, SiO_x, Al₂O₃ oder Cr₂O₃ versehen wird, und x einen Wert von 2 oder kleiner aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Isolationsmaterial (5) mit einer chemischen Verbindung (4) imprägniert wird, die wenigstens ein Harz in Form von Cycloaliphaten, aromatischen Epoxiden, Diglycidylethern oder Glycidylestern, bzw. Acrylate oder Urethane, Polyester, Silikone, ungesättigte Polyesterimide oder ungesättigte Polyesterharze ent­ hält, das durch radikalische oder kationische Strahlungspolymer­ isation ausgehärtet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Strahlungspolymerisation der chemischen Verbindung (4) durch Bestrahlung mit UV-Strahlung mit einer Wel­ lenlänge von 200 bis 500 nm oder Elektronenstrahlung im Bereich von 150 keV bis 4,5 MeV aktiviert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolationsmaterial (5) mit einer chemi­ sche Verbindung in Form eines cycloaliphatischen Harzes mit einen Zusatz von 0,5 Gew% bis 10 Gew% bezogen auf das Gesamtgewicht des Imprägniermaterials (4) an Eisenhexafluorphosphat oder Triaryl­ sulfoniumsalz imprägniert, bestrahlt, um das Bauteil (10) ge­ wickelt und bei Raumtemperatur ausgehärtet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Isolationsmaterial (5) mit einem aroma­ tischen oder cycloaliphatischen Epoxidharz (4) imprägniert wird, das einen Zusatz von 0,5 Gew% bis 10 Gew% bezogen auf das Ge­ samtgewicht des Imprägniermaterials (4) an Eisenhexafluorphosphat oder Triarylsulfoniumsalz aufweist, bestrahlt, um das Bauteil (10) gewickelt und anschließend bei einer Temperatur von 50°C oder oberhalb davon polymerisiert und ausgehärtet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolationsmaterial (5) mit einer chemi­ schen Verbindung in Form eines strahlungshärtbaren Harzes mit wenigstens einem Zusatz imprägniert, um das Bauteil (10) ge­ wickelt, dabei bestrahlt und die Imprägnierung (4) polymerisiert und ausgehärtet und gleichzeitig die Formgebung der Isolation (1) mittels Druck bewirkt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als strahlungshärtbares Harz ein cycloaliphatisches oder aromatisches Epoxidharz mit einem Zusatz von 0,5 Gew% bis 10 Gew% an Eisen­ hexafluorphosphat oder Triarylsulfoniumsalz bezogen auf das Ge­ samtgewicht der Imprägnierung (4) verwendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als strahlungshärtbares Harz ein Acrylat, ein Urethan, ein Polyester, ein Silikon oder ein Derivat hiervon, das einen Zusatz von 0,5 bis 10 Gew% Bisacylphosphinoxid, Benzyldimethylaminobutanon, Benzyldimethylketal, Methylmorpholinopropanon, Benzoinether oder Benzophenon bezogen auf das Gesamtgewicht der Imprägnierung (4) aufweist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Isolationsmaterials (5) mit einer chemi­ schen Verbindung (4) in Form eines aromatischen oder cycloalipha­ tischen Epoxidharzes imprägniert wird, das einen Zusatz zwischen 1 und 10 Gew% an Eisenhexafluorphosphat oder Triarylsulfoniumsalz aufweist, daß das Isolationsmaterial (5) um das Bauteil (10) ge­ wickelt und anschließend die gesamte Isolierung (1) zur Aktivie­ rung der Polymerisation bestrahlt wird, und daß die Imprägnierung (4) daraufhin bei Raumtemperatur oder einer erhöhten Temperatur polymerisiert und ausgehärtet wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Trägermaterial (2) zur Verfestigung und zur dauerhaften Verbindung mit dem zu isolierenden Bauteil (10) mit einer organisch modifizierten Keramik imprägniert wird, die als organischen Bestandteil Epoxid-, Acrylat- oder Vinylgruppen auf­ weist, und daß das imprägnierte Trägermaterial (2) um das Bauteil (10) gewickelt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerisation des organischen Anteils der organisch modifi­ zierten Keramik vor, während oder nach dem Umwickeln des Bauteils (10) durch Bestrahlen mit UV-Strahlung oder Elektronenstrahlung aktiviert wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der organische Anteil der organisch modifizierten Keramik nach dem Umwickeln des Bauteils (10) durch die Zufuhr von Wärme polymerisiert und ausgehärtet wird.