ИЗОЛЯЦИОННАЯ ЛЕНТА ДЛЯ КАТУШКИ И СИСТЕМА ИЗОЛЯЦИИ С ОБМОТОЧНОЙ ЛЕНТОЙ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
INSULATING TAPE FOR COIL AND INSULATION SYSTEM WITH WINDING TAPE FOR ELECTRICAL MACHINES

Изобретение относится к изоляционной ленте для изоляции статорных обмоток в электрических машинах, в частности, к ускорителю ленты в адгезиве изоляционной ленты, которая применяется для системы изоляции с обмоточной лентой.
В электрических машинах статор и в некоторых случаях также ротор имеют систему изоляции с обмотками. При этом вокруг проводника или жгута проводов наматывается изоляционная лента.
Изоляционная лента включает нанесенный на гибкую основу, такую как пленка или стеклоткань, плоский, прочный на пробой неорганический материал, такой как слюдяные пластинки и/или тонкие слюдяные слои, который связан с основой и между собой, и при необходимости с заключительным покровным слоем или дополнительным слоем, посредством адгезива ленты.
Этот адгезив ленты включает растворенный в нем и/или распределенный высокодисперсный ускоритель ленты. Ускоритель ленты служит для гелеобразования жидкотекучей пропиточной смолы, которая, например, нанесена на обмотки статора с помощью технологии вакуум-нагнетательной пропитки (VPI). После гелеобразования при повышенной температуре импрегнированные обмотки статора термически отверждаются в статорный листовой пакет.
Подобная изоляционная лента известна из патентного документа DE 38 24 254 А1. Из патентного документа ЕР 0424376В1 известны соответствующие адгезивы ленты и ускорители ленты, которые имеют достаточную стабильность при хранении.
Раскрытые в нем адгезивы ленты представляют собой продукты реакций присоединения в молярном соотношении 1:4 бисфенолов, в частности, бисфенола А, и циклоалифатических эпоксидных смол, в частности, 3,4-эпоксициклогексилметил-3,4-эпоксициклогексанкарбоксилата.
Этот связующий материал в своей теоретической молекулярной структуре после количественного превращения предположительно содержит почти исключительно циклоалифатические оксирановые функциональные группировки, наряду с также образованными в результате реакции присоединения гидроксильными группами. Кроме того, в патентном документе ЕР 0424376В1 раскрыто, что относящийся к этому ускоритель ленты предпочтительно представляет собой аддукт триметилолпропантриакрилата и N-этилпиперазина в молярном соотношении 1:3.
Ускоритель ленты и/или адгезив ленты в ленточном слюдяном композите предпочтительно химически сформированы таким образом, что при хранении при комнатной температуре не происходит преждевременное и нежелательное отверждение. К тому же обеспечивается технологичность ленточного слюдяного материала. После выполненного импрегнирования содержащих адгезив ленты статорных катушек очень быстро происходит гелеобразование эпоксидной смолы на основе глицидилового простого эфира, так как концевые оксирановые функциональные группировки при взаимодействии с ангидридами кислот подвергаются очень быстрой полимеризации. Благодаря этому химически согласованному взаимодействию в конечном итоге могут быть достигнуты как желательная стабильность при хранении непропитанного ленточного слюдяного материала, так и быстрое гелеобразование в импрегнированном статоре.
Вследствие опасений в отношении токсичности при неограниченном использовании ангидрида фталевой кислоты в будущем найдут применение не содержащие ангидрид фталевой кислоты или вообще не включающие ангидрид VPI-смолы на эпоксидной основе.
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы получить в распоряжение изоляционную ленту и, в частности, ускоритель ленты для изоляционной ленты, который может быть использован в не содержащих ангидрид VPI-смолах. Кроме того, задачей изобретения является создание системы изоляции, катушки и электрической машины с изоляционной лентой, которая импрегнирована не содержащей ангидрид смолой.
Поэтому решением задачи и предметом настоящего изобретения является изоляционная лента с адгезивом ленты, в котором растворен и/или содержится высокодисперсный по меньшей мере один ускоритель ленты, причем по меньшей мере один ускоритель ленты представляет собой имидазол, и/или пиразол, и/или производное имидазола, и/или производное пиразола.
Под производным в данном случае подразумевается химическое производное, то есть, производное вещество или производное соединение, которое может быть получено из базового соединения, то есть, например, имидазола и/или пиразола, путем замещения одного или многих атомов водорода.
При этом замещение может быть выполнено многими различными химическими путями.
В частности, предметом настоящего изобретения является изоляционная лента с адгезивом ленты, в котором растворен и/или содержится высокодисперсный ускоритель ленты, который представляет собой продукт реакции присоединения по меньшей мере одного имидазола и/или по меньшей мере одного пиразола с по меньшей мере одним акрилатом, и/или аддукт одного или многих производного(-ных) имидазола и/или одного или многих производного(-ных) пиразола с одним или многими акрилатным(-ми) производным(-ными). При этом аддукт могут образовывать любые комбинации производных и базовых соединений. Сам аддукт также образуется в результате дериватизации, следовательно, сам по себе также представляет собой производное.
Согласно дополнительному варианту исполнения, гетероцикл представляет собой предпочтительно плавящийся при относительно низких температурах и/или жидкий при комнатной температуре азотистый 1Н-гетероцикл с 1-4 атомами азота в цикле.
В частности, применяется однозамещенный алкил/ацилимидазол. Например, здесь могут быть использованы такие имидазолы, как 1H-2-метилимидазол (CAS № 693-98-1) или 1H-имидазол (CAS № 288-32-4), 1H-2-этилимидазол (CAS № 1072-62-4), 1H-2-пропилимидазол (CAS № 50995-95-4), 1H-2-изопропилимидазол (CAS № 36947-68-9), 1H-2-бутилимидазол (CAS № 50790-93-7), 1H-2-изобутилимидазол (CAS № 61491-92-7), 1H-2-трет-бутилимидазол (CAS № 36947-69-0), 1H-4-трет-бутилимидазол (CAS № 21149-98-4), 1H-4(5)-метилимидазол (CAS № 822-36-6), 1H-2-этил-4-метилимидазол (CAS № 931-36-2), 1H-4-метил-2-фенилимидазол (CAS № 827-43-0), 1H-4-фенилимидазол (CAS № 670-95-1), 1H-5-метил-2-фенилимидазол-4-метанол (CAS № 13682-32-1), 1H-2-фенилимидазол (CAS № 670-96-2), 1H-3-фенилпиразол (CAS № 2458-26-6), 1H-5-метилпиразол (без № CAS), 1H-3,4-диметилпиразол (CAS № 2820-37-3), 1H-3-трет-бутилпиразол (CAS № 15802-80-9), 1H-4-этилпиразол (CAS № 17072-38-7), но также 1H-пиразол (CAS № 288-3-1) и/или 1H-3,5-диметилпиразол (CAS № 67-51-6).
Согласно прототипу, в частности, в отношении содержащих ангидрид фталевой кислоты пропиточных смол, каковые известны из патентного документа ЕР 0424376 В1, в качестве адгезива ленты представлен продукт реакции присоединения в молярном соотношении 1:4 бисфенолов, в частности, бисфенола-А, и циклоалифатических эпоксидных смол, в частности, 3,4-эпоксициклогексилметил-3,4-эпоксициклогексанкарбоксилата. Описанный там адгезив ленты в своей теоретической молекулярной структуре после количественного превращения содержит только циклоалифатические оксирановые функциональные группировки, наряду с также образованными в результате реакции присоединения гидроксильными группами. Кроме того, вышеуказанный патентный документ указывает, что относящийся к этому ускоритель ленты предпочтительно представляет собой продукт реакции присоединения триметилолпропантриакрилата и N-этилпиперазина в молярном соотношении 1:3. Сообразно этому, продукт присоединения соответственно основополагающей аза-реакции Михаэля теоретически содержит три концевых третичных замещенных пиперазиновых атома азота.
Так, например, не содержащий ангидрид фталевой кислоты и к тому же не включающий связующий материал аддукт бисфенола F и диглицидилового простого эфира, который желатинируется в гель с 3 вес.% пиперазинового ускорителя ленты, и отверждается в течение десяти часов при температуре 145°С в условиях анионной полимеризации, проявляет температуру стеклования только около 90°С, тогда как используемая до сих пор стандартная содержащая ангидрид фталевой кислоты смола Micalastic со связующим материалом и ускорителем ленты при идентичном отверждении обеспечивает температуру стеклования около 160°С.
Напротив, если применяют, например, 2 вес.% 1,2-диметилимидазола в качестве ускорителя гелеобразования и отверждения для не содержащей ангидрид фталевой кислоты пропиточной смолы на основе эпоксидной смолы, например, дистиллированного бисфенола-F-диглицидилового простого эфира, то в случае содержания связующего материала температура стеклования устанавливается на 134°С, и в случае отсутствия связующего материала температура стеклования вообще доводится до 150°С. Это показывает превосходство имидазола в качестве катализатора гелеобразования и отверждения для не содержащей ангидрид фталевой кислоты эпоксидной смолы над N-алкилзамещенными пиперазиновыми производными триметилолпропантриакрилата.
По сравнению с патентным документом ЕР 0424376 В1, то есть, с продуктом присоединения из триметилолпропантриакрилата («TMPTA») и N-этилпиперазина в молярном соотношении 1:3, впервые представляемые здесь в технологии в качестве ускорителей ленты продукты присоединения из триакрилатов, в частности, однако также из тетра- и пента-/гексаакрилатов, с 1Н-2-метилимидазолом, 1Н-2-этилимидазолом, 1Н-2-пропилимидазолом, 1Н-2-изопропилимидазолом, 1Н-2-бутилимидазолом, 1Н-2-изобутилимидазолом, 1Н-2-фенилимидазолом и 1Н-2-этил-4-метилимидазолом, представляют собой особенно интересные соединения как ускорители ленты, поскольку
а) достигаемые в результате анионной полимеризации температуры стеклования
с не содержащими ангидрид фталевой кислоты пропиточными смолами на основе диглицидилового простого эфира являются гораздо более высокими, чем при использовании N-метилпиперазиновых и N-этилпиперазиновых аддуктов с TMPTA
b) некислотные алкил-/ацилимидазолы желатинируют и отверждают не содержащие ангидрид фталевой кислоты пропиточные смолы при более низком содержании, нежели N-алкилпиперазин-TMPTA-аддукт (алкил=метил, этил)
с) продукт реакции присоединения 1Н-2-метилимидазола, 1Н-2-этилимидазола, 1Н-2-изопропилимидазола, 1Н-2-пропилимидазола и 1Н-2-этил-4-метилимидазола с TMPTA является более благоприятным в плане стоимости сырьевых материалов, чем в случае продукта присоединения TMPTA с N-этилпиперазином.
1-Метил-2-алкилимидазолы как таковые не стабильны в вакууме, и уже при комнатной температуре представляют собой очень легкотекучие жидкости; поэтому они в вакууме при повышенной температуре очень легко улетучиваются из адгезива изоляционной ленты во время фазы вакуумирования и предварительного высушивания импрегнируемых статоров. Поэтому дериватизированные акрилатами имидазолы являются предпочтительным примером осуществления изобретения.
В результате ковалентного связывания 1Н-2-алкилимидазолов по 1Н-положению, в частности, 1Н-2-метилимидазола, 1Н-2-этилимидазола, 1Н-2-пропилимидазола, 1Н-изопропилимидазола, 1Н-2-этил-4-метилимидазола, 1Н-2-бутилимидазола, 1Н-2-изобутилимидазола и 1Н-2-трет-бутилимидазола, с применяемым до сих пор TMPTA, например, посредством аза-сочетания Михаэля, можно заменить непригодное для не содержащей ангидрид фталевой кислоты эпоксидной смолы N-этилпиперазиновое производное TMPTA теперь подходящим для этого класса пропиточных смол алкилимидазол-TMPTA-вариантом. В многочисленных опытах было показано, что, например, 1,2-диметилимидазол в количестве 2 вес.% относительно не содержащей ангидрид фталевой кислоты эпоксидной смолы обеспечивает высокие температуры стеклования вплоть до 150°С при идентичных в остальном условиях отверждения.
В отличие от этого, содержащий N-этилпиперазин ускоритель ленты в не содержащих ангидрид фталевой кислоты эпоксидных смолах на основе глицидилового простого эфира обеспечивает температуру стеклования только около 90°С. Однако ввиду высокого давления паров 2-алкилимидазолов и высокой текучести диспергирование маленьких молекул имидазола и/или производных имидазола в адгезиве ленты впоследствии связано с такой опасностью, что фаза вакуумирования (70°С, 0,1 мбар (10 Па) в течение до 72 часов) приводит к испарению и, соответственно, миграции летучего алкилимидазола, и он концентрируется в более холодных местах.
Этому можно противостоять путем дериватизации акрилатом, то есть, ковалентным связыванием 1Н-алкилимидазола с акрилатом, например, таким как молекула TMPTA. При этом происходит резкое упрочнение в результате формирования молекулы ускорителя ленты. Благодаря этому эффективно замедляется миграция из адгезива ленты.
В частности, формирование аддуктов 1Н-2-метилимидазола, 1Н-2-этилимидазола, 1Н-2-пропилимидазола, 1Н-2-изопропилимидазола, а также 1Н-2-бутилимидазола, и, соответственно, разветвленных 1Н-2-изобутилимидазола и 1Н-2-трет-бутилимидазола, с акрилатами приводит к экономии расходов в конечной структуре, а также к повышению плотности сшивания в результате обусловленного структурой числа центров инициирования полимеризации при применении высших акрилатов, таких как PETA (пентаэритриттетраакрилат) и DPHA (дипентаэритритгексаакрилат).
Сравнение с таким содержащим пиперазин ускорителем, какой известен из прототипа, здесь еще раз показано в виде таблицы. Первая строка содержит контрольный образец с ускорителем согласно патентному документу ЕР 0424376В1.
Таблица 1
Ускоритель ленты
Винильный компонент
N-гетероцикл
Общая молекулярная масса [г/моль]
Азотные центры*
Стоимость сырьевых материалов [%]
[Прототип]TMPTA-(N-этилпиперазин)<sub>3</sub>
TMPTA
N-Этилпиперазин
638,89
3
100
TMPTA-(имидазол)<sub>3</sub>
TMPTA
Имидазол
500,56
3
92
TMPTA-(2-метилимидазол)<sub>3</sub>
TMPTA
2-Метилимидазол
542,62
3
71
TMPTA-(2-этилимидазол)<sub>3</sub>
TMPTA
2-Этилимидазол
584,71
3
71
PETA-(имидазол)<sub>4</sub>
PETA
Имидазол
624,66
4
104
PETA-(2-метилимидазол)<sub>4</sub>
PETA
2-Метилимидазол
680,74
4
80
PETA-(2-этилимидазол)<sub>4</sub>
PETA
2-Этилимидазол
736,86
4
80
DPHA-(имидазол)<sub>5,5</sub>
DPHA
Имидазол
898,95
5,5
89
DPHA-(2-метилимидазол)<sub>5,5</sub>
DPHA
2-Метилимидазол
976,06
5,5
67
DPHA-(2-этилимидазол)<sub>5,5</sub>
DPHA
2-Этилимидазол
1053,23
5,5
68
*центры, имеющиеся в распоряжение для инициирования полимеризации
Что касается классического процесса VPI-импрегнирования, давления паров алкилимидазолов при повышенных температурах являются довольно неблагоприятными, в частности, давление паров предпочтительных 1-алкил-2-метилимидазолов является относительно высоким, так что во время продолжительной фазы вакуумирования при повышенных температурах, как это в настоящее время отчасти применяется при изготовлении электрических машин перед VPI-импрегнированием статоров, например, для предварительного высушивания, следует опасаться возможной возгонки используемых имидазолов из адгезива ленты.
При других способах пропитки алкилимидазолы, то есть, в общем более низкомолекулярные и тем самым, как правило, летучие при повышенных температурах, и все же производные имидазолов оказались весьма эффективными ускорителями ленты.
-4
В одном примере осуществления изобретения, с помощью ускорителя ленты, который представляет собой аддукт производного 1Н-имидазола и/или производного 1Н-пиразола с акрилатом удалось создать ускоритель ленты в содержащих связующий материал слюдяных бумагах, который может быть модифицирован таким образом, что он стабилен в вакууме при температурах 50-80°С. Например, подобный адгезив ленты проявляет давление паров ниже 10 мбар (0,01 Па) при температуре 70°С, а также высокую динамическую вязкость.
К тому же 1Н-алкилимидазолы и/или 1Н-алкилпиразолы дериватизируются, например, акрилатами.
Согласно одному варианту исполнения, акрилат представляет собой жидкий при комнатной температуре акрилат, например, такой как триметилолпропантриакрилат (TMPTA, CAS № 15625-89-5), триметилолпропанпропоксилаттриакрилат (нет синонима, CAS № 53879-54-2), пентаэритриттетраакрилат (PETA, CAS № 4986-89-4), и/или дипентаэритритпентаакрилат/дипентаэритритгексаакрилат (техническая смесь DPHA, CAS № 60506-81-2).
Далее представлены примерные варианты исполнения производных в структурных формулах.
Следующие аддукты представляют собой примерные варианты исполнения ускорителя ленты согласно изобретению:
I
R
Показанная здесь структурная формула  представляет пример исполнения ускорителя ленты согласно изобретению, и иллюстрирует возможный аддукт TMPTA и одного или многих производного(-ных) 1H-имидазола; например, с одинаковыми или различными , и
R
R
phenyl
=H, метил, этил, н-пропил, изопропил, н-бутил, изобутил, трет-бутил, фенил, и/или может быть моно-, ди-, три-, тетра-, пентазамещенным фенилом, причем заместители в фенильном остатке опять же могут быть одинаковыми или различными, и могут быть выбраны из следующей группы: =алкил (линейный или разветвленный), алкоксигруппа, -F, -Cl, -Br, -J, альдегид, кетон, сложный эфир кислоты, амид кислоты, производное фосфоновой кислоты, и/или производное сульфоновой кислоты
II
R
R
R
phenyl
Показанная здесь структурная формула  представляет дополнительный пример исполнения ускорителя ленты согласно изобретению, и является возможным аддуктом триметилолпропанпропоксилаттриакрилата и производных 1H-имидазола; например, с одинаковыми или различными , и =H, метил, этил, н-пропил, изопропил, н-бутил, изобутил, трет-бутил, фенил, и/или может быть моно-, ди-, три-, тетра-, пентазамещенным фенилом, причем заместители в фенильном остатке опять же могут быть одинаковыми или различными, и могут быть выбраны из следующей группы: =алкил (линейный или разветвленный), алкоксигруппа, -F, -Cl, -Br, -J, альдегид, кетон, сложный эфир кислоты, амид кислоты, производное фосфоновой кислоты, и/или производное сульфоновой кислоты
III
Показанная здесь структурная формула  представляет еще другой пример исполнения ускорителя ленты согласно изобретению, и является возможным аддуктом пентаэритриттетраакрилата (PETA) и производных 1H-имидазола; например, с
R
одинаковыми или различными , и
R
R
phenyl
=H, метил, этил, н-пропил, изопропил, н-бутил, изобутил, трет-бутил, фенил, и/или может быть моно-, ди-, три-, тетра-, пентазамещенным фенилом, причем заместители в фенильном остатке опять же могут быть одинаковыми или различными, и могут быть выбраны из следующей группы: =алкил (линейный или разветвленный), алкоксигруппа, -F, -Cl, -Br, -J, альдегид, кетон, сложный эфир кислоты, амид кислоты, производное фосфоновой кислоты, и/или производное сульфоновой кислоты.
2
где R=Н или
IV
R
Показанная здесь структурная формула  представляет еще один дополнительный пример исполнения ускорителя ленты согласно изобретению, и является возможным аддуктом дипентаэритритпента-/гексаакрилата (DPHA) и производных 1H-имидазола; например, с одинаковыми или различными , и
R
R
phenyl
=H, метил, этил, н-пропил, изопропил, н-бутил, изобутил, трет-бутил, фенил, и/или может быть моно-, ди-, три-, тетра-, пентазамещенным фенилом, причем заместители в фенильном остатке опять же могут быть одинаковыми или различными, и могут быть выбраны из следующей группы: =алкил (линейный или разветвленный), алкоксигруппа, F, Cl, Br, J, альдегид, кетон, сложный эфир кислоты, амид кислоты, производное фосфоновой кислоты, и/или производное сульфоновой кислоты, и
R
2
является таким, как приведено выше.
Здесь удалось показать, что имидазол и/или пиразол являются очень эффективными гелеобразующими и отверждающими веществами для не содержащей фталевую кислоту эпоксидной смолы на основе бисфенола-А- и/или бисфенола-F-диглицидилового простого эфира.
Подходящие адгезивы ленты имеются в продаже на рынке и могут быть получены, например, на основе силиконовых эластомеров.
Изобретение относится к изоляционной ленте для изоляции статорных обмоток в электрических машинах, в частности, к ускорителю ленты в адгезиве изоляционной ленты. Известные до сих пор ускорители ленты на основе N-этилпиперазина здесь заменены новыми и лучшими соединениями. Кроме того, изобретение относится к применению имидазола, и/или пиразола, и/или производных имидазола и/или пиразола в качестве гелеобразующего и отверждающего вещества для не содержащей фталевую кислоту эпоксидной смолы на основе бисфенола-А- и/или бисфенола-F-диглицидилового простого эфира.
Изобретение относится к изоляционной ленте для изоляции статорных обмоток в электрических машинах, в частности, к ускорителю ленты в адгезиве изоляционной ленты, которая используется для системы изоляции с обмоточной лентой. Известные до сих пор ускорители ленты на основе N-этилпиперазина здесь заменены имидазольными и/или пиразольными соединениями. Кроме того, дополнительными примерами осуществления изобретения обеспечивается расширение применения для этой технологии вновь найденных имидазольных и/или пиразольных соединений в качестве гелеобразующих и/или отверждающих средств вообще в эпоксидных смолах на основе бисфенола-А- и/или бисфенола-F-диглицидилового простого эфира, в частности, в их не содержащих фталевую кислоту видах.