title: Optimierung der elektrostatischen Pulverlackapplikation für elektrische Isolationsanwendungen
Creators: name: Scholl, Moritz
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024

description: Bei der Bereitstellung und der Nutzung von elektrischer Energie sind rotierende elektrische Maschinen ein zentraler Bestandteil. Aufgrund der Energie- und der Verkehrswende ist mit einer steigenden Nachfrage an modernen und leistungsfähigen Generatoren und Motoren zu rechnen. Bereits geringe Verbesserungen hinsichtlich der Leistungsdichte, der Lebensdauer oder des Herstellungsaufwands können große ökologische und ökonomische Auswirkungen besitzen. Das Isolationssystem ist dabei eine zentrale Komponente von rotierenden elektrischen Maschinen. Aktuell verwendete elektrische Isolationssysteme für rotierende Hochspannungsmaschinen und die zur Herstellung eingesetzten Produktionsprozesse sind die Folge einer jahrzehntelangen Weiterentwicklung. Durch diese lange, kontinuierliche Weiterentwicklung ist ein Großteil der möglichen Optimierungspotentiale bereits ausgeschöpft, so dass sich der Fortschritt bei der Prozess- und Materialentwicklung stark verlangsamt hat. Stattdessen hat man sich auf die Verbesserung und die Konsolidierung der Herstellungsmethoden konzentriert. Eine denkbare Alternative zu dem etablierten Herstellungsverfahren könnte die additive Fertigung der Hauptisolation mittels Pulverbeschichtung sein. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zunächst ein automatisierter Pulverbeschichtungsroboter entwickelt und in Betrieb genommen, um effizient reproduzierbare Pulverbeschichtungen herzustellen. Dieser Beschichtungsroboter wurde auf die Beschichtung der verwendeten Substratgeometrien abgestimmt und fortlaufend optimiert. Um das Verhalten des Referenzmaterialsystems zu verstehen und eine konstante Lackqualität zu gewährleisten wurde der ausgewählte Hybridpulverlack zunächst mit verschiedenen Messverfahren charakterisiert. Ein weiterer neu entwickelter Epoxidharz-Novolak-Pulverlack wurde aus denselben Gründen auf gleiche Art und Weise untersucht und mit dem Referenzlack verglichen. Diese Untersuchungen liefern eine Informationsbasis für die folgende Prozessentwicklung und Optimierung der Prozessparameter. Die Prozessentwicklung und die Parameteroptimierung erfolgen mit dem Beschichtungsroboter zur automatisierten und reproduzierbaren Probenherstellung in Kombination mit dem etablierten Referenzpulverlack. Dazu wurden ausgewählte Prozessparameter systematisch variiert und hinsichtlich der mittleren Schichtdicke und der Homogenität der Schichtdicke optimiert. Durch eine detaillierte Prozessbetrachtung wurden alle relevanten Parameter optimiert. Dadurch wurde es möglich homogene Pulverlackbeschichtungen reproduzierbar auf Kupfersubstrate mit rundem Querschnitt aufzutragen. Mit Hilfe des entwickelten Beschichtungsroboters konnten schließlich mehrere Pulverlackschichten automatisiert und reproduzierbar auf die Proben aufgebracht werden. Dadurch war es möglich homogene Beschichtungen mit der angestrebten finalen Schichtdicke von 1,5 mm zu erzeugen. Auf diese Art und Weise wurden mehrere Proben hergestellt und hinsichtlich ihrer Teilentladungsaktivität und ihrer elektrischen Lebensdauer untersucht. Insbesondere zeigte sich dabei, dass die optimierten Pulverbeschichtungen eine geringere Teilentladungsaktivität und damit weniger Fehlstellen besitzen als Proben, die nach dem Stand der Technik gefertigt wurden. Das neue Fertigungsverfahren ist dem Stand der Technik somit hinsichtlich der Fehlstellen innerhalb der Isolation überlegen. Die anschließend ermittelte elektrische Lebensdauer war jedoch geringer als beim Stand der Technik. Daraus lässt sich schließen, dass der verwendete Hybridpulverlack nur bedingt zur Herstellung von elektrischen Hochspannungsisolationen geeignet ist. Deshalb wurde der mit dem Referenzlack erarbeitete Prozess auf den entwickelten Epoxidharz-Novolak-Pulverlack übertragen. Dieser Pulverlack ist ein vielversprechender Kandidat einer parallel ablaufenden Materialentwicklung. Die Prozessparameter des Referenzlacks werden für den entwickelten Pulverlack adaptiert, so dass nur geringe Parameteranpassungen nötig waren. Durch die Verwendung des entwickelten Pulverlacks und die Optimierung der Prozessparameter war es schließlich möglich die Kantenflucht bei der Beschichtung von Kupfersubstraten mit rechteckigem Querschnitt zu vermeiden. Diese Kupfersubstrate mit rechteckigem Querschnitt sind der Geometrie von real eingesetzten Spulen deutlich ähnlicher als Kupfersubstrate mit rundem Querschnitt, wodurch man der finalen Anwendung signifikant näherkommen konnte. Die bisherigen Erkenntnisse der Untersuchungen sind vielversprechend und deuten darauf hin, dass die Herstellung von Hochspannungsisolationen auf Basis eines elektrostatischen Pulverbeschichtungsprozesses möglich ist.