ИЗОЛЯЦИЯ, ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ
INSULATION, ELECTRICAL MACHINE AND METHOD FOR PRODUCING INSULATION

Изобретение впервые раскрывает распыляемую композицию (состав) для изготовления многослойной изоляции для электрической машины, в частности вращающейся электрической машины диапазона высокого напряжения или среднего напряжения, как например генератора, трансформатора, которые подвержены более высоким номинальным напряжениям при рабочих напряжениях, то есть, например, от 1 кВ или более. Кроме того, изобретение относится к электрической машине, которая включает в себя подобную изоляцию, наконец, изобретение относится к способу изготовления многослойной изоляции.
Разрабатываются все более мощные электрические машины, как например генераторы, так как прогрессирующая техника требует все более высоких плотностей мощности. Высокомощный генератор, как например турбогенератор, имеет в частности каркас или статор с пакетом листов статора и множеством пазов генератора, в которых находится система изоляции генератора, как правило, в виде намотки.
Основная изоляция генераторов, основанная на пропитанных эпоксидной смолой слюдяных лентах (микалентах), обеспечивает экранирование находящихся под высоким напряжением проводников, в частности медных проводников, от заземленного статора. Она имеет высокое начальное напряжение частичного разряда, что позволяет ей долговременно устранять, например, 3,5 кВ на миллиметр.
Наиболее важными компонентами системы изоляции являются при рассмотрении изнутри наружу проводники, в частности медные проводники, то есть электрическая катушка, которые спрессовываются друг с другом в так называемые связанные стержни, при необходимости нанесенное на стержни регулирование внутреннего потенциала, IPS, основная изоляция и на ней наружная защита от тлеющего разряда, AGS, а также при необходимости концевая защита от тлеющего разряда.
Обмотка генератора и/или двигателя выходит в каждом случае на торцевых сторонах пакета листов из пазов генератора. В этих местах на AGS наносится затем так называемая концевая защита от тлеющего разряда, EGS, для того чтобы управлять электрическим потенциалом, например повышать потенциал по длине EGS. Все эти компоненты системы изоляции, то есть IPS, основная изоляция, AGS и EGS, наматываются до сих пор, как правило, в виде лент на частичные проводники, причем ее части, такие как EGS, наносятся полностью вручную. Другие части также не могут наноситься автоматизировано, так как либо количество деталей не делает автоматизацию экономичной, и/или опасность включений воздуха в складках не обеспечивает качество, которое необходимо для намотки.
После того, как все намотки системы изоляции нанесены, они пропитываются пропиточной смолой, после чего пропитанная изоляция отверждается - например, в печи - в дуромер.
2
Во время эксплуатации вращающейся электрической машины возникают высокие напряжения, которые должны устраняться в изоляционном объеме между находящимся на высоком напряжении проводящем стержнем и находящимся на потенциале земли пакетом листов. На краях листов в пакете листов возникают при этом возвышения поля, которые в свою очередь вызывают частичные разряды. Эти частичные разряды приводят при попадании на систему изоляции локально к очень сильным нагревам. При этом органические материалы системы изоляции постепенно разлагаются в низкомолекулярные, летучие продукты, например в CO.
Ленты, которые наматываются, состоят, как правило, из склеенных слюдяных пластинок, которые служат в изоляции для того, чтобы удлинять путь эрозии в системе изоляции, то есть прямой путь от стороны высокого напряжения, то есть от проводников, к заземленному пакету листов, вследствие чего получается существенно больший срок службы системы изоляции.
Исходя из этого, задача данного изобретения преодолеть недостатки уровня техники, в частности преодолеть недостатки изоляции из намотанных лент и сокращать расходы на изготовление системы изоляции для вращающейся электрической машины диапазона высокого напряжения или среднего напряжения, как например генератора, трансформатора, для проходного изолятора и/или кабеля, которые подвержены более высоким номинальным напряжениям при рабочих напряжениях, то есть, например, от 1 кВ или более.
Решение задачи и объект данного изобретения раскрыты в имеющемся здесь описании, на чертеже и в формуле изобретения.
Таким образом, предметом данного изобретения является изоляция проводника вращающейся электрической машины, отличающаяся тем, что изоляция включает в себя два или несколько слоев, которые могут изготавливаться посредством распыляемых лаковых композиций (составов), причем, по меньшей мере, один механически несущий слой лака образует с устойчивым к частичному разряду слоем лака граничащие друг с другом слои изоляции.
Понятие "граничащие друг с другом" обозначает в данном случае то, что оба слоя или покрытия, из механически несущей лаковой композиции с одной стороны и устойчивой к частичному разряду лаковой композиции с другой стороны, являются смежными, причем не является обязательным, что они образуют общую граничную поверхность.
Наоборот согласно изобретению также возможно, что слои лака могут распыляться посредством способа порошкового лака, который рассчитан, например, электростатическим. Однако для этого с увеличением радиального удаления распыляемого слоя лака было бы сложнее прикладывать напряжение к нижним слоям, которое требует распыляемый электростатически порошковый лак. Поэтому согласно варианту осуществления предусмотрено наносить самый тонкий, электропроводный граничный слой на уже распыленный и высушенный слой посредством напыления, химического осаждения из газовой фазы и т.д. Толщина этого электрически заряжаемого граничного слоя, "поверхности раздела", может быть также толщиной лишь в несколько атомных слоев, чтобы технология электростатического распыления порошкового лака снова функционировала.
Например, устойчивая к частичному разряду лаковая композиция содержит, по меньшей мере, одну распыляемую смесь смолы с мономерным и/или олигомерным компонентом смолы на основе оксида кремния, силоксана, силазана, винила, силан/винила, силан/акрилата и/или силан/метакрилата и/или другие лаковые композиции с высокой неорганической и/или минеральной составляющей.
Наряду с этим имеется еще одно или несколько используемых в качестве отвердителя соединений, которые предусмотрены на основе углерода и/или оксида кремния, силоксана и/или силазана или других вышеуказанных устойчивых к частичному разряду лаковых композициях, которые составляют часть распыляемой композиции согласно изобретению.
Кроме того, объектом изобретения является вращающаяся электрическая машина с подобной изоляцией, и, наконец, объектом изобретения является способ изготовления изоляции для вращающейся электрической машины посредством распыления твердого порошкового лака, жидкого содержащего растворитель лака и/или жидкого не содержащего растворитель лака.
2
n
3
n
Общим познанием изобретения является то, что от слюдяных пластинок, которые используются обычно при всех ленточных и/или намоточных изоляциях и не могут распыляться, так как они попросту слишком велики, можно отказаться, если в качестве смоляной основы используется смола или смесь смолы, которая устойчива к частичному разряду. Было обнаружено, что устойчивость распыляемой смолы повышается посредством добавления более мелкого слюдяного порошка, если, по меньшей мере, часть смолы заменяется устойчивым к частичному разряду компонентом, таким как компонент на основе силоксана и/или силазана, который имеет таким образом -[SiR-O-]- и/или -[-Si-NR-]-основную цепь. Таким образом, можно отказаться от применения склеенных в ленту слюдяных пластинок, и изоляционный материал может составляться и изготавливаться в виде распыляемого раствора.
Согласно предпочтительному варианту осуществления композиция включает в себя далее еще наполнители, которые настолько малы, что они могут наноситься через распылительное сопло.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, для изготовления изоляции, по меньшей мере, одна устойчивая к частичному разряду смесь смолы и/или смесь смолы и отвердителя распыляется на изолируемый проводник.
2
n
3
n
Устойчивыми к частичному разряду смолами или смесями смолы являются, например, такие смолы или смеси смолы, в которых в качестве полимерного компонента имеется компонент с -[SiR-O-]- и/или -[-Si-NR-]-основной цепью в качестве побочного компонента смеси смолы и/или смеси смолы и отвердителя, то есть менее 50 молярных процентов, в частности менее 40 молярных процентов и наиболее предпочтительно менее 30 молярных процентов полимеризуемой смеси смолы и/или смеси смолы и отвердителя.
2
n
3
n
Согласно изобретению в качестве смеси смолы и/или смеси смолы и отвердителя для изоляции предусмотрена смесь, у которой, по меньшей мере, часть отверждаемой для готовой изоляции в дуромер смеси смолы и/или смеси смолы и отвердителя является содержащим силоксан и/или силазан соединением, которое в дуромере образует -[SiR-O-]- и/или -[-Si-NR-]-основную цепь.
При этом "R" обозначает водород и/или все типы органических остатков, которые подходят для отверждения и/или сшивания в пригодный для системы изоляции изоляционный материал. В частности R обозначает арил, алкил, гетероциклы, азот, кислород и/или серозамещенные арилы и/или алкилы.
В частности, R может быть одинаковым или различным и обозначать следующие группы:
- водород;
- алкил, например: метил, пропил, изопропил, бутил, изобутил, тербутил, пентил, изопентил, циклопентил, а также все дальнейшие аналоги вплоть до додецила, то есть гомолог с 12 атомами C;
- арил, например: бензил, бензоил, бифенил, толуил, ксилолы, а также сходные ароматические соединения, в частности, например, все арильные радикалы с одним или несколькими кольцами, строение которых соответствует определению ароматичности по Хюккелю;
- гетероциклы: в частности серосодержащие гетероциклы, такие как тиофен, тетрагидротиофен, 1,4-тиоксан и их гомологи и/или производные;
- кислородосодержащие гетероциклы, как например диоксаны;
- азотосодержащие гетероциклы, как например гетероциклы с заместителями -CN, -CNO,-CNS, -N3 (азид) в кольце или в кольцах; и
- серозамещенные арилы и/или алкилы: например, тиофен, или же тиолы.
Правило Хюккеля для ароматических соединений относится к той взаимозависимости, что планарные, циклически сопряженные молекулы, которые включают в себя несколько P-электронов, которые можно представлять в виде 4n+2, обладают особой устойчивостью, которая обозначается также как ароматичность.
2
n
3
n
2
n
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения смесь смолы и/или смесь смолы и отвердителя включает в себя наряду с функционализированным для полимеризации мономерным и/или олигомерным компонентом, который имеет -[SiR-O-]- и/или -[-Si-NR-]-основную цепь, также, по меньшей мере, один функционализированный для полимеризации мономерный и/или олигомерный компонент смолы с включающей в себя углерод - то есть -[CR-]-звенья - основной цепью. При этом R обозначает водород, арил, алкил, гетероциклы, азот, кислород и/или серозамещенные арилы и/или алкилы. В частности подходят, например, функционализированные эпоксидом компоненты, такие как бисфенол-F-диглицидиловый эфир (BFDGE) или бисфенол-A-диглицидиловый эфир (BADGE), полиуретан, а также их смеси. Предпочтительны эпоксидные смолы на основе бисфенол-F-диглицидилового эфира (BFDGE), бисфенол-A-диглицидилового эфира (BADGE) или их смесей.
2
n
3
n
2
n
Например, функционализированный для полимеризации мономерный или олигомерный компонент, который имеет -[SiR-O-]- и/или -[-Si-NR-]-основную цепь, комбинируется в смесь смолы и/или смесь смолы и отвердителя с одним или несколькими содержащими -[CR-]-основную цепь компонентами, выбранными из группы следующих соединений:
недистиллированный или дистиллированный, при необходимости реагенто-разбавленный бисфенол-A-диглицидиловый эфир, недистиллированный или дистиллированный, при необходимости реагенто-разбавленный бисфенол-F-диглицидиловый эфир, гидрированный бисфенол-A-диглицидиловый эфир и/или гидрированный бисфенол-F-диглицидиловый эфир, чистый и/или разбавленный растворителями эпоксидный новолак и/или эпоксидно-фенольный новолак, циклоалифатические эпоксидный смолы, такие как 3,4-эпоксициклогексилметил-3,4-эпоксициклогексилкарбоксилат, напр., CY179, ERL-4221; целлоксид 2021P, бис(3,4- эпоксициклогексилметил)адипат, напр., ERL-4299; целлоксид 2081, винилциклогексендиэпоксид, напр., ERL-4206, целлоксид 2000, 2-(3,4-эпоксициклогексил-5,5-спиро-3,4-эпокси) цикслогексан-методиоксан, напр., ERL-4234; диглицидиловый эфир гексогидрофталевой кислоты, напр., CY184, Epalloy-5200; диглицидиловый эфир тетрагидрофталевой кислоты, напр., CY192; глицидированные аминосмолы (N, N-диглицидил-пара-глицидилоксианилин, напр., MY0500, MY0510, N, N-диглицидил-мета-глицидилоксианилин, напр., MY0600, MY0610, N, N,N`,N`-тетраглицидил-4,4`-метилендианилин, напр., MY720, MY721, MY725, а также любые смеси вышеуказанных соединений).
2
n
3
n
В качестве функционализированного для полимеризации мономерного или олигомерного компонента, который имеет -[SiR-O-]- и/или -[-Si-NR-]-основную цепь, подходят основанные на глицидиле и/или оканчивающиеся эпоксидом арильные и/или алкильные силоксаны, как например функционализированные глицидокси-группами, в частности оканчивающиеся глицидокси-группами силоксаны. Так, например, подходит такой силоксан, как 1,3-бис(3-глицидил-оксипропил)тетраметилдисилоксан, DGTMS, и/или оканчивающийся глицидокси-группами фенил-демитилсилоксан и/или фенил-метил-силоксан в мономерной и/или олигомерной форме, а также в любых смесях и в виде производных. Один из этих уже протестированных компонентов имеется на рынке в виде „Silres HP 1250". Было обнаружено, что в данном случае подходят, по меньшей мере, дважды функционализированные силоксаны, которые могут использоваться для изготовления дуропластов.
2
n
3
n
В качестве отвердителя подходят катионные и анионные катализаторы отверждения, как например органические соли, такие как органические соли аммония, сульфония, йодония, фосфония и/или имидазолия, и амины, такие как третичные амины, пиразолы и/или имидазоловые соединения. В качестве примера здесь следует назвать 4,5-дигидрокиметил-2-фенилимидазол и/или 2-фенил-4-метил-5-гидроксиметилимидазол. Однако могут также содержащие оксиран-группы соединения, как например глицидиловый эфир, использоваться в качестве отвердителя. Равным образом, как и основная смола, также отвердитель может частично или полностью заменяться альтернативно или дополнительно соединением с -[SiR-O-]- и/или -[-Si-NR-]-основной цепью, называемым здесь также соединением на основе силоксана.
В случае аддитивно сшивающихся, негомополимеризующихся высокополимеров могут быть целесообразны в качестве отвердителя твердые при комнатной температуре ди- или триангидрид (производные), как например 3,3`,4,4`-бензофенонтетракарбокилдиангидрид (BTDA, CAS-№. 2421-28-5).
Обычно также кислотные ангидриды успешно используются в качестве отвердителя в изоляционных материалах. Однако их токсикология сейчас больше не является полностью бесспорной. Поэтому все больше используются другие отвердители, в частности на основе имидазола и/или пиразола.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения предусмотрено отвердитель на основе углерода также полностью или частично заменять отвердители на основе силоксана с таким же функциональными возможностями.
2
n
3
n
Оказалось, что в изоляции предпочтительно имеется соотношение устойчивой к частичному разряду смолы, то есть основанного на оксиде кремния, силазане и/или силоксане "с -[SiR-O-]- и/или -[-Si-NR-]-основной цепью" соединения, к механически несущей смоле, то есть смоле на основе углерода, при котором механически несущая смола преобладает, то есть составляет более 50 весовых процентов и/или более 50 объемных процентов и/или более 50 молярных процентов.
2
n
3
n
2
n
В частности имеются, например, следующие соотношения: устойчивая к частичному разряду смола, то есть основанное на оксиде кремния, силазане и/или силоксане "с -[SiR-O-]- и/или -[-Si-NR-]-основной цепью" соединение, к механически несущей смоле, то есть смоле на основе углерода "с -[CR-]-основной цепью", от 1:8 до 1:4, то есть в соответствующей изоляции основанные на углероде соединения имеются от 4 до 8 раз большем объеме, чем устойчивые к частичному разряду составляющие смолы, которые, по меньшей мере, частично имеют предпочтительно основную цепь на основе кремния. Указанные здесь последними доли относятся при этом к стехиометрии, то есть являются молярными процентами.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения содержащий силоксан и/или силазан компонент или компонент на основе оксида кремния имеется таким образом в количестве от 10 до 50 молярных процентов в смеси смолы или смеси смолы и отвердителя композиции. В частности является предпочтительным, если количество содержащего силоксан компонента в основной смоле составляет не больше 20 молярных процентов, в частности не больше 18 молярных процентов и наиболее предпочтительно не больше 15 молярных процентов.
2
n
2
n
Можно обнаружить оптимум уменьшенного объема эрозии при замещении обычного компонента смолы на 20-30%. Однако, так как с продолжением замещения механические свойства, явно заметные по температурам стеклования и/или модулям памяти, пластика ухудшаются, является целесообразным замещать как можно меньше -[CR-]-основы. Примерно при 20-процентном замещении температуры стеклования и модули памяти получающейся смоляной системы практически идентичны температурам стеклования и модулям памяти обычной, включающей в себя только -[CR-]-основную цепь смолы.
2
n
3
n
Неожиданно было установлено, что устойчивость к частичному разряду изоляционного материала буквально скачкообразно повышается за счет наличия определенного количества образующих -[SiR-O-]- и/или -[-Si-NR-]- мономеров или олигомеров в основной смоле.
Благодаря распылению изоляции, в частности основной изоляции, слоями с, по меньшей мере, частично различными композициями может достигаться то, что, например, распыляется слой с наиболее устойчивой к частичному разряду композицией, а граничащие слои состоят из композиции, которая обнаруживает хорошие механические свойства, таким образом достигается то, что распыленная изоляция, включающая в себя несколько различных слоев, не является ни слишком хрупкой, ни слишком эластичной.
Например, в зависимости от композиции и свойств распыленной и отвержденной композиции слой крайне устойчивой к частичному разряду композиции может также иметься, лишь в очень тонком виде, в комбинации с граничащими слоями из менее устойчивых к частичному разряду, однако более эластичных зато композиций.
Например, могут две различные композиции распыляться для образования чередующихся в изоляции слоев.
Для улучшения, например распыления порошкового лака, предусмотрено, например, то, что более толстый слой - например, в диапазоне от 100 мкм, предпочтительно 150 мкм и выше, примерно до 300 мкм - из механически устойчивой композиции распыляется с более тонким, менее 100 мкм, предпочтительно менее 70 мкм, слоем с толщиной слоя в нанометровом диапазоне из содержащей, например, силоксан и/или силазан композиции. Чтобы, например, электростатическое распыление порошкового лака прилипало к слою изоляции, в качестве "поверхности раздела", то есть граничного слоя между двумя слоями, может быть предусмотрен самый тонкий, находящийся в атомном диапазоне, то есть толщиной лишь в несколько атомных слоев, металлический слой, который обеспечивает электростатический заряд для осаждения дальнейшего слоя в процессе распыления порошкового лака. Подобный слой-поверхность раздела может изготавливаться при помощи катодного распыления или химического осаждения из газовой фазы (CVD - Chemical Vapor Deposition) или тому подобного.
показывает возможную последовательность слоев изготовленной согласно одному варианту осуществления изобретения изоляции, в которой вокруг проводника послойно наносятся сплошные слои, так называемая "луковичная изоляция".
Фиг. 2 показывает в противоположность этому возможную последовательность слоев другого варианта осуществления согласно изобретению, при которой не каждый слой распыляется и наносится полностью вокруг проводника, а в поперечном сечении возникает так называемая "чешуйчатая изоляция".
2
n
3
n
показывает сверху вниз тонкий слой 1 (показан зеленым цветом) слоя из устойчивой к частичному разряду смолы, как например из образующего -[SiR-O-]- и/или -[-Si-NR-]-основную цепь полимера. Этот тонкий слой 1 может иметь толщину слоя в нанометровом диапазоне или в несколько микрометров.
За ним следует более толстый слой 2 из механически устойчивой смолы, как например из смолы на основе углерода, то есть, например, из эпоксидной смолы, который может быть значительно толще, то есть, возможно, до 200 мкм или в крайнем случае до 300 мкм толщины. Этот более толстый слой образует, например, механически несущий слой изоляции.
Внизу на  можно еще увидеть проводник 3, например медный стержень 3.
При показанной на  "луковичной структуре" слоев 1 и 2 изоляции вокруг проводника 3 возможно прерывать недопустимое ветвистое разрастание каналов или эрозионных путей, которые образуются в радиальном направлении вокруг проводника, сквозь изоляцию при помощи укладывания - как здесь схематично показано - полностью замкнутого слоя 1 из устойчивого к частичному разряду материала.
2
n
3
n
Альтернативно или дополнительно к показанной на  последовательности слоев фиг. 2 показывает так называемую "чешуйчатую структуру" изоляции. Под чешуйчатой структурой при этом понимается, что один слой лака находится не в виде полностью покрывающего слоя на нижнем слое, а имеется в виде чешуек, то есть лишь частичная область слоя лака отделена от других частичных областей или чешуек слоя механически несущим слоем лака, на одинаковом расстоянии от проводника - эквипотенциально. При этом в изоляции имеется - например, на эквипотенциальной линии - как механически несущий, так и устойчивый к частичному разряду лак, так что в поперечном сечении в соответствующей матрице 2 из механически несущей смолы с низким содержанием или и вовсе без устойчивой к частичному разряду, основанной на оксиде кремния, силазане и/или силоксане, образующей "-[SiR-O-]- и/или -[-Si-NR-]-основную цепь" лаковой композиции, однако при этом с высоким содержанием или даже полностью из смолы на основе углерода, находятся, будучи распределены "наподобие чешуек", части 1 из устойчивого к частичному разряду лака.
Также здесь снова предотвращается ветвистое разрастание канала или эрозионного пути сквозь изоляцию укладкой устойчивых к частичному разряду чешуек 1 лака.
Для изготовления чешуйчатой структуры могут привлекаться общие профессиональные знания специалиста по распылению лака.
Например, различные слои в чешуйчатой структуре распыляются не по всей поверхности, а таким образом, что устойчивый к частичному разряду слой распыляется не по всей поверхности. В каком виде имеются разрывы, не важно. Например, возможна спиральная структура, благодаря тому, что распыление осуществляется за пределы длины стержня проводника 3, и он, однако, при этом вращается вокруг собственной оси. Или же также таким образом, что перед проводником укладывается прорезной шаблон, сквозь который осуществляется распыление. Вследствие этого возникли бы крупноразмерные чешуйчатые структуры в зависимости от прорезей шаблона.
Предпосылкой к нанесению устойчивого к частичному разряду слоя не по всей поверхности является создание так называемой непрерывной фазы, которая возникает из механически несущего слоя. Вследствие того, что отдельные механически несущие слои соприкасаются также в радиальном направлении, то есть поперек к поверхности проводника 3, также в радиальном направлении преобладают механические свойства этого слоя. Это нанесение слоев, то есть чешуйчатая структура, аналогично обычной изоляции из намотанной ленты. У такой изоляции именно слюдяные пластинки соответствуют устойчивому к частичному разряду слою, который нанесен в виде чешуек. Пропиточная смола является в этом случае, так сказать, механически несущим слоем смолы, который образует поддерживающую матрицу для чешуек. Тем не менее устойчивые к частичному разряду чешуйки распыленной изоляции имеют по сравнению со слюдяными пластинками то несомненное преимущество, что они могут свободно и автоматизируемым образом адаптироваться переменно в геометрии к соответствующим локальным условиям.
Однако теперь существуют различные возможности распыления устойчивого к частичному разряду лака и/или механически несущего лака. Оба лака могут при этом наноситься посредством одинаковых или различных технологий.
Принципиально существует с одной стороны распыление в виде порошкового лака, причем распыляется смесь твердых веществ, а с другой стороны распыление в виде жидкости, причем распыление осуществляется либо с, либо без растворителя. В случае распыления в виде порошкового лака смесь смолы, смесь смолы и отвердителя и/или смесь смолы, отвердителя и ускорителя имеются при комнатной температуре и/или атмосферном давлении в виде твердого вещества. При попадании на субстрат, то есть на частичный проводник катушки, материл либо термически плавится, и/или электростатически разряжается.
Для этого типа нанесения целесообразен высокомолекулярный, то есть, например, с удлиненной цепочкой, содержащий силоксан компонент, который является твердым при комнатной температуре. Альтернативно или дополнительно могут использоваться, например, гомополимезирующиеся, содержащие силоксан эпоксиды, которые не требуют дополнительных отвердителей. Однако если отвердитель должен добавляться, то является предпочтительным, если также отвердитель или смесь смолы и отвердителя являются твердыми при комнатной температуре и/или атмосферном давлении.
Эти имеющиеся при комнатной температуре в твердом виде, распыляемые в виде порошкового лака композиции могут затем наноситься, например, при помощи распыления в псевдоожиженном слое и/или электростатического распыления.
В качестве отвердителя могут использоваться следующие, твердые при комнатной температуре и/или атмосферном давлении
a) ди- или триангидриды:
- 3,3`,4,4`-бензофенонтетракарбокилдиангидрид, "BTDA", CAS-№. 2421-28-5;
- диангидрид пиромеллитовой кислоты, "PMDA" CAS-№. 89-32-7;
- 3,3`,4,4`-бифенилтетракарбокилдиангидрид, "s-BPDA" CAS-№. 2420-87-3;
- 2,2`-бис-(3,4-дикарбоксифенил)гексафторпропандиангидрид, "6-FDA" CAS-№. 1107-00-2;
- 4,4`-ангидрид оксидифталевой кислоты, "ODPA" CAS-№. 1823-59-2;
- 3,3`,4,4`-дифенилсульфонтетракарбокилдиангидрид, "DSPA" CAS-№. 2540-99-0;
TM
- 4,4`-бисфенол-A-диангидрид, "BPADA" или "ULTEM" диангидриды CAS-№. 38103-06-9;
- ангидрид гидрохинондифталиевой кислоты, "HQDEA" CAS-№. 17828-53-4;
- ангидрид гексогидрофталиевой кислоты, "HHPA" CAS-№. 85-42-7;
- изомеры ангидридов тетрогидрофталиевой кислоты THPA, CAS-№. 2426-02-0 и CAS-№. 935-79-5;
- циклопентен-1,2-дикарбокилангидрид CAS-№. 3205-94-5;
- цис/трансизомеры 1,2-циклопентандикарбокилангидрида, напр., CAS-№. 35878-28-5;
b) ди- или более высокие функциональные амины, а также их производные, например:
- 2,2-бис-[4-(4-аминофенокси)фенил]пропан, "BAPP" CAS-№. 13080-86-9;
- 4,4`-метилендианилин, "MDA" CAS-№. 101-779;
- 4,4`-[1,3-фениленбис(1-метил-этилиден)]бизанилин, "Bisa nilin M" CAS-№. 2687-27-6;
- 4,4`-[1,4-фениленбис(1-метил-этилиден)]бизанилин, "Bisa nilin P" CAS-№. 2716-10-1;
- 4,4`-оксидианилин, "4,4`-ODA" CAS-№. 101-80-4;
- 3,4`-оксидианилин, "3,4`-ODA" CAS-№. 2657-87-6;
- 2,2`-диметил-4,4`-диаминобифенил, "m-Tolidin" CAS-№. 84-67-3;
- 3,3`-диметил-4,4`-диаминобифенил, "o-Tolidin" CAS-№. 119-93-7;
- 3,3`-дигидрокси-4,4`-диамино-бифенил, "HAB" CAS-№. 2373-99-0;
- 3,3`-диаминодифенилсульфон, "3,3`-DDS" CAS-№. 599-61-1;
- 4,4`-диаминодифенилсульфон, "4,4`-DDS" CAS-№. 80-08-0;
- 2,2`-бис[4-(4-аминофенокси)фенил]сульфон, "BAPS" CAS-№. 13080-89-2;
- 2,2`-бис[4-(3-аминофенокси)бензол], "m-BAPS" CAS-№. 30203-11-3;
- 1,4`-бис(4-аминофенокси)бензол, "TPE-Q" CAS-№. 3491-11-1;
- 1,3`-бис(4-аминофенокси)бензол, "TPE-R" CAS-№. 2479-46-1;
- 1,3`-бис(3-аминофенокси)бензол, "APB-133" CAS-№. 10526-07-5;
- 4,4`-бис(4-аминофенокси)бифенил, "BAPB" CAS-№. 13080-85-8;
- 4,4`-диаминобензанилид, "DABA" CAS-№. 785-30-8;
- 9,9`-бис(4-аминофенил)флуорен, "FDA" CAS-№. 15499-84-0;
- O-толидинсульфон, "TSN" CAS-№. 71226-58-9;
- метиленбис(антраниловая кислота), "MBAA" CAS-№. 7330-46-3;
- 1,3`-бис(4-аминофенокси)-2,2-диметилпропан, "DANPG" CAS-№. 115570-52-0.
Кроме того, могут использоваться высокоплавкие изоцианаты, эфиры имидокислоты, эфиримиды, эфирамиды.
Преимущество твердых производных ангидрида и в частности амина в качестве отвердителя заключается в том, что благодаря предварительному, в частности однократному расплавлению с твердой при комнатной температуре и/или атмосферном давлении и/или нормальных условиях эпоксидной смолой и/или силоксановой эпоксидной смолой имеется затвердевающий однородно расплав. Полученный таким образом, затвердевший расплав может немедленно или после хранения снова измельчаться в порошок, он может просто стехиометрически смешиваться и получаться наилучшим образом в смеси. При распылении и попадании на горячую поверхность металла изготовленный - например - из застывшего расплава порошок снова расплавляется и начинает немедленно сшиваться.
В частности указанные производные амина больше не требуют также затем продолжительных периодов отверждения в печи, а необходимы всего лишь кратковременные фазы доотверждения при существенно более низких температурах.
Альтернативно или дополнительно к распылению в виде порошкового лака может также распыляться жидкий лак, то есть система смолы и отвердителя в жидком виде или растворенная в растворителе. Это распыление может выполняться с использованием сжатого воздуха или без сжатого воздуха.
Очевидным преимуществом при распылении с растворителем является то преимущество, что вязкость смеси смолы и отвердителя существенно повышается, если растворитель испаряется. Это означает, что, если смесь смолы и отвердителя была распылена на горячую поверхность металла, ее вязкость повышается настолько, что она больше не может двигаться (течь).
С другой стороны распыление содержащих растворитель смесей требует времени ожидания между двумя следующими друг за другом нанесениями, чтобы могло исключаться то, что в нижнем слое еще находится растворитель. В частности потому, что растворитель в нижнем слое приводил бы при отверждении при повышенной температуре к образованию пор, в которых затем при эксплуатации следует опасаться электрических разрядов.
При распылении без растворителя не требовалось бы время ожидания, и несколько слоев могли бы относительно быстро распыляться друг на друга, пока не будет достигнута необходимая толщина изоляции. Без растворителя также не выделяется в газовой фазе низкомолекулярный компонент при нагреве системы изоляции, вследствие чего может изготавливаться непористая система изоляции. Чтобы, несмотря на это, получалось повышение вязкости распыленной системы смолы и отвердителя после распыления, предлагается при помощи ультрафиолетового и/или инфракрасного отверждения застудневать систему смолы и отвердителя во время распыления при попадании на покрываемую поверхность. В принципе могут в первую очередь распыляться ненаполненные слои без растворителя, вследствие чего может предотвращаться образование пор.
Неважно с растворителем ли или без него, распыленный лак подвергается, наконец, для окончательного изготовления еще доотвреждению, которое может осуществляться термически и/или при помощи облучения.
Распыленный слой системы изоляции имеет толщину в нанометровом диапазоне до нескольких микрометров и/или от 50 мкм до 300 мкм, предпочтительно от 50 мкм до 130 мкм и в частности предпочтительно от 70 мкм до 120 мкм.
У электрических вращающихся машин, которые находятся в фокусе данного изобретения, требуются толщины изоляции в диапазоне от 700 мкм до примерно 6 мм, так что распыленные системы изоляции должны всегда наноситься в несколько слоев.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения в распыляемой композиции содержится при этом, по меньшей мере, один полимеризуемый компонент, включающий в себя систему смолы и отвердителя, а также один или несколько наполнителей.
2
n
3
n
2
n
В качестве полимеризуемого компонента понимается смесь из, по меньшей мере, одного соединения, которое включает в себя содержащую -[SiR-O-]- и/или -[-Si-NR-]- основную цепь и содержащую -[CR-]- основную цепь.
В частности, полимеризуемый компонент выбран из дуропластов и/или термопластов.
В качестве растворителя может содержаться в распыляемой жидкой композиции в частности диметилформамид, 2-бутанон, ацетон и/или 1-бутанол.
Благодаря использованию мелкозернистой слюды в качестве наполнителя возникает при этом то преимущество, что образованные из нее частицы имеют сравнительно низкую абразивность, и потому они могут просто распыляться в виде суспензии лака и частиц при помощи сопла на проводник, для того чтобы получать систему изоляции.
Распыляемая композиция, будь она в виде порошкового лака или в виде жидкой композиции с или без растворителя, в частности для изготовления основной изоляции, создает условия для частично или полностью автоматизированного изготовления системы изоляции, также адаптированных индивидуально к соответствующей машине систем изоляции.
Кроме того, технология распыления делает возможным повышение плотности мощности вращающихся электрических машин, предполагая, что распыленная система изоляции имеет такой же электрический срок службы, как и обычная система изоляции с лентой защиты от тлеющего разряда, клеем ленты, ускорителем ленты, при необходимости выполненной вручную обмоткой, последующим пропитыванием смолой, при необходимости в вакууме, и, наконец, отверждением смолы.
Причина этого заключается в получающейся геометрии изоляции, которая неизбежно возникает, если лента наматывается вокруг четырехугольного профиля проводника.
Фиг. 3 и 4 показывают для этого:
фиг. 3 - уровень техники с изоляцией микалентой, которая намотана вокруг проводника; и
фиг. 4 - распыленную изоляцию, которая наносится в виде распыляемой композиции.
Фиг. 3 показывает уровень техники, применяемую обычно, намотанную систему 11 изоляции вокруг четырехугольного профиля проводника 13, например медного проводника, в пакете 12 листов. Здесь подробно показано, как на гранях 14 толщина 15 намотки меньше, чем намотка 15` на плоской стороне. Это является простым следствием намотки 15, которая просто плотнее прилагает к граням 14, чем к плоским сторонам 16. Например, на грани 14 измеряется толщина 15 намотки в 2,2 мм, в то время как на плоской стороне 16 может измеряться толщина 15 намотки в 2,7 мм.
Однако теперь напряженность электрического поля, конечно, всегда значительно выше на изгибах и в частности на гранях 14, чем на плоских конструктивных элементах или областях, таких как плоская сторона 16. Можно было бы показать, что в 95% всех электрических пробоев системы изоляции, в частности при повышенных напряжениях, изоляция пробивается на радиусе стержня, то есть в показанном здесь примере на грани 14. Это означает, что система изоляции должна быть целесообразно рассчитана таким образом, что она имеет на грани 14 толщину изоляции, которая соответствует ожидаемому сроку службы. В показанном здесь уровне техники это ясно означает, что другие, в частности плоские, области должны быть существенно толще, чем это электрически необходимо. Вследствие этого возникают ненужные расходы на материалы, ненужные объемы в конструктивных элементах, ненужное препятствование термическому отводу тепла, сокращение плотности мощности и в целом ухудшение машины.
Фиг. 4 показывает в противоположность этому распыленную систему изоляции согласно примеру осуществления изобретения. Можно снова увидеть четырехугольный профиль 13 проводника, однако больше не намотанную, а распыленную согласно изобретению систему 11 изоляции в пакете 12 листов.
Благодаря специальной технологии распыления возможно, как показано на фиг. 4, повышать толщины 15 изоляции на гранях 14 и помимо этого экономить, например, материал на плоских сторонах 16. Так, например, на гранях 14 могут легко реализовываться толщины 15 изоляции в 2,4 мм посредством распыления, причем одновременно на плоских сторонах 16 толщина 15` изоляции может ввиду меньшей вероятности электрических пробоев сокращаться, например сокращаться до 2,2 мм.
Однако благодаря сокращению толщины 15` изоляции на плоских сторонах 16 возможно существенно, более чем на 8%, в показанном примере на 8,3%, повышать толщину 18 проводника 13 и тем самым силу тока проводника 13. При общей толщине 17 проводника 13 в пакете 12 листов, изолированного изготовленной посредством распыления или при помощи намотки системой 11 изоляции, например, в 17,4 мм, проводник 13 может согласно уровню техники, то есть фиг. 3, принимать максимальную ширину 18 в 12 мм, в то время как согласно изобретению, как показано на фиг. 4, он может иметь ширину на один миллиметр больше, то есть ширину 18 в 13 мм. Увеличенный таким образом проводник 13 может, естественно, поводить также другие количества электричества. Таким образом, благодаря распыляемой изоляции, в частности также основной изоляции, можно существенно повышать мощность вращающихся электрических машин.
Сравнение намотанной и распыленной изоляции показывает соответственно существенную оптимизацию мощности за счет распыляемой изоляции у вращающихся электрических машин.
Изобретение впервые раскрывает распыляемую композицию для изготовления многослойной изоляции для электрической машины, в частности вращающейся электрической машины диапазона высокого напряжения или среднего напряжения, как например генератора, трансформатора, которые подвержены более высоким номинальным напряжениям при рабочих напряжениях, то есть, например, от 1 кВ или более. Кроме того, изобретение относится к электрической машине, которая включает в себя подобную изоляцию, наконец, изобретение относится к способу изготовления многослойной изоляции. Он включает в себя распыление различных композиций с или без промежуточных, в частности металлических, поверхностей раздела и может автоматизироваться.