Isolationssystem für elektrische rotierende Maschinen, Ver wendung eines Blends und elektrische rotierende Maschine

Die Erfindung betrifft ein Isolationssystem für eine elektri sche rotierende Maschine, insbesondere Elektromotor und/oder Generator, sowie die Verwendung eines Blends und eine elekt rische rotierende Maschine.

Bekannt sind elektrische rotierende Maschinen im Nieder- und Hochspannungsbereich wie Elektromotoren und elektrische Gene ratoren. Diese Maschinen zeichnen sich durch eine Vielzahl verschiedener Bauformen und Einsatzbereiche aus. Sie werden in sämtlichen Bereichen der Technik, der Industrie, des All tags, des Verkehrswesens, der Medizin und anderen Gebieten verwendet. Der Leistungsbereich elektrischer Maschinen er streckt sich von Größenordnungen unterhalb von einem Mikro watt z.B. in der Mikrosystemtechnik bis hinaus über ein Giga watt, also Tausendmal eine Million Watt, wie beispielsweise im Kraftwerksbereich. Ab etwa 700 V Bemessungsspannung werden die Traktions- und Antriebsmotoren im Fahrzeugbereich, Schie nenfahrzeugbereich, etc. betrieben.

Allen rotierenden elektrischen Maschinen gemeinsam sind Spu len, die vom elektrischen Strom durchflossen werden. Zur elektrischen Isolation der stromdurchflossenen Teile gegenei nander und gegenüber der äußeren Umgebung weisen elektrische Maschinen Isolationssysteme, die zumindest eine Hauptisolati- on und gegebenenfalls noch Glimmschutz aufweisen, auf.

Bei elektrischen rotierenden Maschinen ab einer Bemessungs spannung von etwa 700 V liegen Spulen aus gegeneinander bei spielsweise über Bewicklung und/oder Drahtlack isolierte Teilleiter vor. Diese werden aus Rohlingen, wie einem Spulen fisch 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 untereinan- der sind über so genannte Wickelköpfe verbunden und durch entsprechende Anschlüsse kontaktiert.

Die stromführenden Teilleiter, die die Spule bilden, sind ge geneinander, gegenüber dem Blechpaket und schließlich auch gegenüber der Umgebung durch ein Isolationssystem isoliert. Das Isolationssystem umfasst regelmäßig die Hauptisolation, die einen reinen Isolator darstellt und gegebenenfalls (ab einer Bemessungsspannung von etwa 4.000 V) das Glimm schutzsystem, das die Komponenten Außenglimmschutz und gege benenfalls (ab einer Bemessungsspannung von etwa 6.000 V) den Endenglimmschutz, je nach Art der Maschine, umfasst.

Weitestgehend ist die spannungsführende Spule dabei als Haup tisolation durch polymerbasierte Werkstoffe vom geerdeten Blechpaket isoliert. Um ein Maximum an Leistung aus der Ma schine herauszuholen, wird sie bei höchstmöglichen Stromdich ten betrieben, wodurch aber auch nennenswerte Verluste in Form von Hitze entstehen.

Bei großen Elektromotoren ist die übliche Betriebstemperatur maximal 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 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 Feld stärke 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 nach dem Stand der Technik in Isola tionssystemen Materialien mit höheren Temperaturindices ein- gesetzt, wie zum Beispiel auf Basis von mAramid, Polyimid und Polyesterimid .

Diese Werkstoffe limitieren jedoch aufgrund ihrer Eigenschaf ten das Wicklungsdesign: Polyimide werden aktuell als Bänder oder Nuteinleger eingesetzt und sind daher wegen ihrer geo metrischen Eigenschaften begrenzt einsetzbar, was die Geomet rie von Spulen für Traktionsmotoren einschränkt. mAramid ist in den elektrischen Festigkeiten sehr begrenzt einsetzbar, zeigt aber hervorragende mechanische Eigenschaften.

Einige Elektromotoren, wie z.B. Traktionsmotoren werden bei Temperaturen weit über 155°C bis hin zu 200°C betrieben. Die dafür nötigen und als Isolationsmaterial für die Hauptisola tion verfügbaren Hochleistungspolymere sind aufgrund des be grenzten Angebots auf wenige Polymertypen begrenzt, die alle unterschiedliche Vor- und Nachteile haben. Die Polymerart bei Flächenisolierstoffen und Isolierbändern für Traktionsmotoren begrenzt sich aufgrund unterschiedlichster Anforderungen bis lang im Wesentlichen auf mAramid und Polyimid. Die Flä chenisolierstoffe mit mAramid werden in einem Vacuum Pressure Impregnating -VPI-Prozess mit Polyetherimid - PEI - impräg niert, um eine möglichst hohe Porenfreiheit zu gewährleisten und um die Wicklung mechanisch fest in der Nut zu fixieren.

Es besteht der Bedarf, Isolationssysteme aus anderen Materia lien als mAramid zu schaffen, die den thermischen Anforderun gen bei Temperatur Index 180°C, 200°C und/oder sogar 220°C standhalten .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung von Isolationssystemen, die thermischen und mechanischen An forderungen von Betriebstemperaturen über 155°C sowie den elektrischen Belastungen dauerhaft standhalten, damit die Leistungsdichte der bekannten Elektromotoren erhöht werden kann. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Er findung, wie er in der Beschreibung, der Figur und den An sprüchen offenbart wird, gelöst.

Deshalb ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Isola tionssystem für eine rotierende elektrische Maschine mit ei ner Betriebstemperatur größer/gleich 155°C, einen Stator mit Nuten und einen Rotor umfassend, wobei stromführende Teillei ter, die in Form eines definierten Teilleiterverbunds in vor gegebener Geometrie in den Nuten des Stators eingelegt sind, gegeneinander isoliert jeweils eine Spule bilden, die eine Hauptisolation hat, wobei die Hauptisolation ein Materialge misch ist, das einen Blend mit teilkristallinen Anteilen um fasst, wobei der Blend

- ein Copolymer aus Polyetherimid und Siloxan,

- einen ersten Hochtemperatur - Thermoplasten, der amorph oder teilkristallin vorliegt und

- einen zweiten Hochtemperatur - Thermoplasten, der teilkris tallin vorliegt umfasst, und wobei das Blend auf den Teilleiterverbund mittels Spritz guss aufgebracht und/oder die Hauptisolation zumindest zum Teil durch Spritzvergießen des Blends hergestellt ist.

Außerdem ist Gegenstand der Erfindung die Verwendung eines Blends mit einem Copolymer aus Polyetherimid und Siloxan und zumindest zwei Hochtemperatur-Thermoplasten, wobei ein Ther moplast einen teilkristallinen Anteil aufweist, im Spritz gussverfahren zur Herstellung der Hauptisolation einer Spule für eine elektrische rotierende Maschine, die bei Betriebs temperaturen größer gleich 155°C betrieben wird. Schließlich ist Gegenstand der Erfindung eine elektrische rotierende Ma schine einen Rotor und einen Stator und zumindest eine in ei ne Nut eingelegte Spule umfassend, wobei die Spule zumindest teilweise mit einer im Spritzgussverfahren hergestellten Hauptisolation überzogen ist. Als „über Spritzgussverfahren aufgebracht und/oder herge stellt" wird im Folgenden eine Hauptisolation einer Spule dann bezeichnet, wenn zumindest Teile der Spule durch Einle gen in ein Spritzgusswerkzeug und anschließende Spritzgussbe handlung mit dem Blend zur Herstellung einer Hauptisolation überzogen werden. Insbesondere sind die betroffenen Teile die geraden Teile der Spule, also die Bereiche, die den aktiven Teil der Spule ausbilden oder anders formuliert, die Bereiche der Spule, die in die Nuten des Stators eingelegt werden.

Im Spritzgussverfahren wird beispielsweise eine, mehrere Teilleiter umfassende Spule mit dem Blend aus einem oder meh reren Polymeren und/oder einem oder mehreren Copolymeren in einer vorgegebenen Dicke beschichtet und damit isoliert. Ins besondere kann der Blend einen oder mehrere Thermoplaste, Po lymere und/oder Copolymere mit teilkristallinen Anteilen ent halten.

Je nach Anforderungen, insbesondere thermischen Anforderun gen, an die aus dem Blend über Spritzguss hergestellten Haup tisolationen wird, der Prozentsatz an teilkristallinem Anteil variieren. Je höher die thermischen Anforderungen an die Hauptisolation, desto höher wird in der Regel - je nach teil kristallinem Polymermaterial - der Gehalt an teilkristallinem Anteil im Blend sein. Bei weniger anspruchsvollen Betriebs temperaturen kann dabei ein teilkristalliner Anteil im Blend von 1 Gew% bis 20 Gew% ausreichen, wohingegen bei hochwerti gen Hauptisolationen für Elektromotoren mit hoher Betriebs temperatur der teilkristalline Anteil von mindestens 40 Gew% bis zu 99 Gew% des Blends ausmachen kann. Beispielsweise liegt der teilkristalline Anteil im Blend im Bereich zwischen 10 Gew% und 70 Gew%, insbesondere zwischen 10 Gew% und 95 Gew%.

Als „teilkristallin" wird ein Thermoplast bezeichnet, wenn in seiner morphologischen Struktur geordnete, „kristalline" Be reiche neben ungeordneten „amorphen" Bereichen vorliegen.

Die Spule liegt bei der Herstellung zunächst in Form von so genannten Spulenfischen vor, das ist die noch nicht für das Einlegen in die Nut gezogene Spule, sondern ein definierter Teilleiterverbund, beispielsweise 10 Teilleiter in zwei Rei hen, die genau in die Nut passen, umfassend wobei die Teil leiter gegeneinander durch Teilleiterisolation isoliert und definiert angeordnet sind. , Di Packung der gegeneinander isolierten Teilleiter bildet bei größtmöglicher Packungsdich te für die Teilleiter eine in die Nut passende Form. Dieser Teilleiterverbund stellt dann eine Schlaufe dar und bildet in mehreren Windungen oder Wicklungen die Spule, die jeweils endseitig kontaktierbar ist.

Bevorzugt wird zur Herstellung der Hauptisolation die Spule in Form des Spulenfisches, zwei lange gerade Teilstücke zei gend, in das Werkzeug einer Spritzgussmaschine eingelegt, und dort mit einer definierten Isolationsdicke isoliert. So wird die Hauptisolation der Spule hergestellt. Das Ziehen der Spu len zum Einlegen in die Statornut erfolgt bevorzugt an der bereits isolierten Spule.

Andererseits kann auch die fertig gezogene Spule mit Teillei tern über Spritzgussverfahren isoliert werden.

So sind sowohl der Spulen-Rohling, der Spulenfisch, als auch die fertig gezogene Spule grundsätzlich geeignet, um in ein Spritzgusswerkzeug, eine Form und eine Kavität umfassend, eingelegt zu werden.

Im Spritzgussverfahren wird ein -bevorzugt nicht gebogener - Teil einer Spule mit einem Kunststoff in definierter Dicke isoliert. Der spritzgegossene Blend der Hauptisolation ist dabei Hochtemperatur-Thermoplast-haltig, vor allem deshalb, weil Hochtemperatur-Thermoplaste unzersetzt schmelzbar sind, ohne dabei thermisch zu degradieren und eine niedrige Schmelzviskosität aufweisen, die für eine idealerweise poren freie Isolierung der Spulen bzw. Spulenteile förderlich ist.

Insbesondere sind als spritzgegossener Blend auch Mischungen aus HT-Thermoplasten mit weiteren Polymeren geeignet. In Tests haben sich insbesondere Blends verschiedener Zusammen setzung mit Hochtemperatur-Thermoplasten und dem Copolymer aus Polyetherimid und Siloxan erfolgreich über Spritzgussver fahren als Hauptisolation auf die Spule aufbringen lassen. Vorteilhafterweise haben die Blends keine elastomeren Antei le, weil elastomere Anteile sich nicht zur Herstellung einer Hauptisolation mittels Spritzguss eignen.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfin dung hat sich für die Verarbeitung mittels Spritzguss zur Hauptisolation ein Blend aus einem oder mehreren Hochtempera tur-Thermoplasten ausgewählt aus der Gruppe umfassend:

- Polyetherimid

- Polyaryletherketone - PEEK, PER, PEKK, PEEEK, PEEKK, PEKEKK usw.

- Polysulfon -PSU-,

- Polyphenylensulfid -PPS-,

- Polyethersulfon - PES- und/oder

- Poly(oxy-1,4-phenylsulfonyl-l,4-phenyl) -PESU- mit einem Copolymer aus Polyetherimid und Siloxan, als geeig net erwiesen.

Als Copolymer hat insbesondere das Polyetherimid-Siloxan- Copolymeren ein enormes Potential als Isoliermaterial im Mit tel- und Hochspannungsbereich hinsichtlich der Beständigkeit gegenüber thermischer Beanspruchung und elektrischen Entla dungen bewiesen. Die Erweichungstemperatur des Copolymers al lein als Flächenisolationswerkstoff liegt nur geringfügig oberhalb 170°C, so dass dieses Copolymer allein nicht als Hauptisolationsmaterial in einem Isolationssystem bei höheren Betriebstemperaturen, insbesondere bei Betriebstemperaturen oberhalb von 180°C einsetzbar ist. Im Blend mit einem Hoch temperatur-Thermoplasten jedoch zeigt dieses Copolymer keine Entmischung aber hervorragende Teilentladungsbeständigkeit und thermische Stabilität.

Durch den Blend, also durch das Mischen von unterschiedlichen Homopolymeren und/oder Copolymeren, im vorliegenden Fall durch die Abmischung des Copolymers aus Polyetherimid mit Si loxan mit zumindest zwei Hochtemperatur-Thermoplasten in ei ner Menge von beispielsweise 1 bis 99 Gew% - an teilkristal- linem Thermoplasten in der trockenen Substanz, die in die Spritzgussmaschine eingespeist wird, ergibt sich ein Materi al, das im Spritzgussverfahren verarbeitbar ist und in einem Motor, der bei einer Betriebs-Temperatur von größer/gleich 155°C, insbesondere von beispielsweise 170°C bis zu 250°C be trieben wird, problemlos einsetzbar ist.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Polyetheri- mid-Siloxan-Copolymer ein Block-Copolymer.

Der Anteil an Siloxan im Copolymer liegt im Bereich von 0,lGew% bis 90Gew%, insbesondere bei 10Gew% bis 60Gew% und insbesondere bei 20Gew% bis 40Gew%, bezogen auf das Gesamtge wicht des Copolymers.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform liegt der atomare Anteil an Silizium-Atomen im Copolymer bei 0% bis 30% Atom- prozent, insbesondere von 0 % bis 25 %, insbesondere bei 0% bis 15 (Atomprozent)%.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Polyetherimid-Siloxan-Copolymer ein Block-Copolymer der allgemeinen Formel (I) wobei

- R ^1-6 gleich oder ungleich sind und ausgewählt aus der

Gruppe der o substituierten oder unsubstituierten, gesättigten, ungesättigten oder aromatischen Monocyclen mit 5 bis 30 Kohlenstoffatomen, o substituierten oder unsubstituierten, gesättigten, ungesättigten oder aromatischen Polycyclen mit 5 bis 30 Kohlenstoffatomen, o substituierten oder unsubstituierten, gesättigten Kohlenwasserstoffen mit 1 bis 30 Kohlenstoffatomen, o substituierten oder unsubstituierten, ungesättigten Kohlenwasserstoffen mit 2 bis 30 Kohlenstoffatomen;

- V steht für eine 4-Valenzen habende Linkergruppe, ausge wählt aus der Gruppe der o substituierten oder unsubstituierten, gesättigten, ungesättigten oder aromatischen Monocyclen und Po lycyclen mit 5 bis 50 Kohlenstoffatomen, o substituierten oder unsubstituierten, gesättigten Kohlenwasserstoffen mit 1 bis 30 Kohlenstoffatomen, o substituierten oder unsubstituierten, ungesättigten Kohlenwasserstoffen mit 2 bis 30 Kohlenstoffatomen, o sowie beliebig kombinierten Linkergruppen, die zu mindest eine der vorgenannten Gruppen umfassen;

- g beträgt 1 bis 30 und

- d beträgt 2 bis 20.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfin dung können in der thermoplastischen Spritzgussmasse ein oder mehrere Additive enthalten sein. Beispielsweise können ein oder mehrere Metalloxid(e), wie z.B. T1O2und/oder solche mit einer der folgenden Summenformeln Na ₈ Al ₆ Si ₆ 0 ₂₄ S ₄ und/oder Na ₆ Al ₆ Si ₆ 0 ₂₄ S ₂ . Weitere Additive können Fe2C>3 und/oder MnFe2C>4 und/oder elektrisch nichtleitfähige Kohlenstoff basierte Füllstoffe, wie z.B. Industrieruß sein. Bei Bedarf können die Additiv-Partikel teilweise oder ganz, vollflächig oder teil flächig, mit einer SiCh-Beschichtung ausgestattet vorliegen.

Diese Additive sind insbesondere auch oxidationshemmend, so dass die Wärmeklasse oder der Temperatur-Index eines damit hergestellten Flächenisolationswerkstoffes weiter erhöht wer den kann. Additive werden beispielsweise bei der Herstellung des Blends zugemischt und im Spritzguss verarbeitet. Weitere Additive, Verlaufshilfsmittel, Farbpigmente, Quarzpartikel und weiteres können dem Blend zugemischt werden.

Der Anteil an Additiv im spritzgegossenem Material liegt bei spielsweise im Bereich zwischen 0,01 und 20 Gew%, insbesonde re im Bereich zwischen 0,05 und 10 Gew% und besonders bevor zugt im Bereich zwischen 0,1 und 1 Gew%.

Als „Siloxan" wird vorliegend grundsätzlich eine Verbindung mit zumindest einer -Si-O-Si-Einheit verstanden, insbesondere solche, die im Polymer ein Si-O-Si-Rückgrat wie es in Siloxa nen üblich ist, bilden. Beispielsweise sind ein Polydialkyl- siloxan, wie das Polydimethylsiloxan, oder Polydiarylsiloxan, wie das Polydiphenylsiloxan einfache Formen eines Siloxans. Natürlich gibt es auch gemischte Formen von Siloxanen wie beispielsweise ein Polyarylalkylsiloxan.

Zur Herstellung der Hauptisolation für Elektromotoren, die bei Temperaturen oberhalb 155°C betrieben werden, eigenen sich Elastomere nicht.

Als Polyetherimid oder „PEI" wird der bekannte Thermoplast bezeichnet, der vielfältig einsetzbar ist, weil er hochtempe raturbeständig ist und als flammwidrig eingestuft wird. Dies insbesondere deshalb, weil er geringe Rauchentwicklung zeigt, wenn er dennoch mal brennt. PEI hat hohe Festigkeit, auch ho he elektrisch Durchschlagsfestigkeit, geringes Gewicht und ist gegen UV-Licht und Gammastrahlen beständig. Insbesondere ist PEI als „ULTEM®" handelsüblich.

Das Polyetherimid wird gemäß einer vorteilhaften Ausführungs form der Erfindung einmal zur Bildung des Copolymers mit Si loxan eingesetzt, also die Monomere des Polyetherimids und die Monomere des Siloxans reagieren gemeinsam zu einem Copo- 1ymer. Zum zweiten wird, unabhängig vom eingesetzten Copolymer, das Polyetherimid als Hochtemperatur-Thermoplast zur Abmischung des Copolymers zur Bildung des Blends eingesetzt.

Die Bildung des Blends oder auch Polyblend genannt erfolgt durch einfaches Mischen der beiden Komponenten Copolymer ei nerseits und Hochtemperatur-Thermoplast andererseits. Die Ei genschaften des Blends, insbesondere hinsichtlich Temperatur beständigkeit entsprechen weder denen des Copolymers noch de nen des Hochtemperatur-Thermoplasten. Ein Blend in diesem Sinn ist eine rein physikalische Mischung, es entstehen keine neuen chemischen Bindungen zwischen den Makromolekülen.

Insbesondere enthält das für die Verarbeitung mittels Spritz guss zur Hauptisolation geeignete Blend eine Abmischung aus dem oben genannten Polyetherimid-Siloxan-Polymer mit einem Hochtemperatur-Thermoplasten wie beispielsweise Polyethe retherketon (PEEK), Polyaryletherketon (PAEK), Polypheny- lenether (PPE), Polyoxymethylen (POM), Perfluoralkoxy - Polymer (PFA), Polyvinylidenfluorid PVDF, Polyetherketon PEK, Polyetherketonketon PEKK, Polytetrafluorethylen PTFE, Poly- phenylensulfon PPSU, Polyethersulfon PES, Polysulfon PSU, Po- ly (oxy-1,4-phenylsulfonyl-l,4-phenyl) PESU, Polyamidimid PAI, Polybenzimidazol PBI, Polyamidimid -PAI-, Polyetherketon - PEK-, Polyetheretherketon -PEEK -, Polyetherketonketon -PEKK- , Polysulfon -PSU- und/oder -PPSU-, Polyphenylensulfid -PPS-, Polyethersulfon - PES-, Poly(oxy-1,4-phenylsulfonyl-l,4- phenyl) -PESU-, Polyaryletherketon -PAEK- und/oder Polyethe rimid PEI wird vorteilhafterweise über Spritzguss als Isola tionsmaterial eingesetzt. Alle genannten Hochtemperatur- Thermoplaste können für sich und/oder in beliebigen Kombina tionen und Mischungen, eingesetzt werden.

Die Hochtemperatur-Thermoplaste enthalten bevorzugt eine aro matische Grund-Struktur. Dadurch sind diese Verbindungen ge gen Oxidation und gegen Radikalbildung länger beständig. Bei des ist insbesondere bei geforderter Teilentladungsbeständig keit sehr wichtig. Insbesondere ist auch die Kettensteifig- keit bei aromatischen Polymeren größer, so dass die Glasüber gangstemperatur höher ist.

Der Hochtemperatur-Thermoplast ist teilkristallin. Teilkris talline Hochtemperatur-Thermoplaste sind Blendpartner, weil diese besondere Stabilität gegenüber Oxidation, Teilentladun gen und/oder Radikalbildung zeigen, sowie eine niedrige Schmelzviskosität aufweisen, was wiederum für eine porenfreie Isolation förderlich ist. Ein höherer Anteil an Kristallini- tät im teilkristallinen Blendpartner bringt daher Vorteile. Durch die vorliegende Erfindung wird erstmals eine Hauptiso lation für ein Isolationssystem für Spulen in Statornuten von elektrischen rotierenden Maschinen vorgeschlagen, die mittels Spritzguss herstellbar ist. Dazu wird ein Blend angegeben, welches im Spritzguss verarbeitbar ist und als spritzgegosse- ne Hauptisolation in Tests thermische Stabilität der Haup tisolation von Spulen in den Statornuten bis zu Betriebstem peraturen von über 155°C, insbesondere über 170°C und sogar von 200°C oder 220°C - je nach spritzgegossenem Materialge misch- bewiesen hat.