GRÜBEL, André (Heinrich-Kirchner-Strasse 26, Erlangen, 91056, DE)
GRÜBEL, Vicky (Heinrich-Kirchner-Strasse 26, Erlangen, 91056, DE)
RITBERG, Igor (Finkenstrasse 4, Fürth, 90762, DE)
GRÖPPEL, Peter (Thomas-Dehler-Strasse 22, Erlangen, 91052, DE)
GRÜBEL, André (Heinrich-Kirchner-Strasse 26, Erlangen, 91056, DE)
GRÜBEL, Vicky (Heinrich-Kirchner-Strasse 26, Erlangen, 91056, DE)
RITBERG, Igor (Finkenstrasse 4, Fürth, 90762, DE)
| Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung eines Isoliersystems (20) mit verbesserter Teilentladungsbeständigkeit, umfassend die Verfahrensschritte : - Bereitstellen eines Isolierbandes (10) welches ein Glimmerpapier (5) und einen Trägerwerkstoff (6) umfasst, die mittels eines Klebers (8) miteinander verklebt sind; - Umwickeln eines elektrischen Leiters (13) mit dem Isolierband (10); - Imprägnieren (18) des um den Leiter (13) gewickelten Isolierbandes (10) mit Kunstharz; dadurch gekennzeichnet, dass der Kleber (8) mindestens einen nanopartikulären Füllstoff (7) umfasst . 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine nanopartikuläre Füllstoff (7) einen isotropen nanopartikulären Füllstoff umfasst. 3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine nanopartikuläre Füllstoff (7) einen anisotropen nanopartikulären Füllstoff umfasst. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der nanopartikuläre Füllstoff (7) 0.5 Gewichtsprozent bis 80 Gewichtsprozent des Klebers (8) ausmacht. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt des Imprägnierens mittels einem Vakuum Druck-Imprägnierungsprozess vorgenommen wird. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verfahrensschritt des Imprägnierens der nanopartikuläre Füllstoff (7) sich zumindest teilweise homogen kolloiddispers in dem Kunstharz und vorzugsweise im gesamten Isolationssystem (20) verteilt. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Nanopartikuläre Füllstoff (7) aus folgenden Gruppen ausgewählt ist: - Phyllosilikate; - Schichtsilikate; - exfolierte Phyllosilikate; - exfolierte Schichtsilikate; - kolloiddisperse Phyllosilikate; - kolloiddisperse Schichtsilikate mittels Imidamin oder generell organischen Salzen oberflächenmodifizierte Phyllosilikate ; mittels Imidamin oder generell organischen Salzen oberflächenmodifizierte SchichtSilikate ; - kolloiddisperse Siliziumdioxidpartikel eines mittleren Partikeldurchmessers kleiner 35 nm; - Aluminiumoxid; Aluminiumhydroxid; - orgnische Nanopartikel wie Siloxane oder Copolymere; - Bornitride der α und ß Modifikation. 8. Isolierband (10) geeignet zur Verwendung in einem Verfahren zur Herstellung eines Isoliersystems (20) mit verbesserter Teilentladungsbesändigkeit , umfassend ein mittels eines Kleber (8) mit einem Trägerwerkstoff (6) verbundenes Glimmerpapier (5) , dadurch gekennzeichnet, dass der Kleber (8) mindestens einen nanopartikulären Füllstoff (7) umfasst . 9. Isolierband (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der nanopartikuläre Füllstoff (7) einen isotropen nanopartikulären Füllstoff umfasst. 10. Isolierband (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der nanopartikuläre Füllstoff (7) einen anisotropen nanopartikulären Füllstoff umfasst. 11. Isolierband (10) nach einem der Ansprüche 8-10, dadurch gekennzeichnet, dass der nanopartikuläre Füllstoff (7) 0.5 Gewichtsprozent bis 80 Gewichtsprozent des Kleber ausmacht. 12. Isolierband (10) nach einem der Ansprüche 8-11, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine nanopartikuläre Füllstoff (7) aus folgenden Gruppen ausgewählt ist: - Phyllosilikate; - Schichtsilikate; - exfolierte Phyllosilikate; - exfolierte Schichtsilikate; - kolloiddisperse Phyllosilikate; - kolloiddisperse Schichtsilikate mittels Imidamin oder generell organischen Salzen oberflächenmodifizierte Phyllosilikate; mittels Imidamin oder generell organischen Salzen oberflächenmodifizierte SchichtSilikate ; - kolloiddisperse Siliziumdioxidpartikel eines mittleren Partikeldurchmessers kleiner 35 nm; - Aluminiumoxid; Aluminiumhydroxid; - orgnische Nanopartikel wie Siloxane oder Copolymere; - Bornitride der α und ß Modifikation. 13. Isoliersystem (90) mit verbesserter Teilentladungsbeständigkeit, umfassend - ein um einen elektrischen Leiter (91) gewickeltes Isolierband (92) welches ein mit einem Trägerwekstoff (6) verbundenes Glimmerband (5) umfasst, wobei das Isolierband mit einem Kunstharz (93) imprägniert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das imprägierte Isolierband (92) mit einem nanopartikulären Füllstoff (7) durchsetzt ist. 14. Isoliersystem (90) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolierband ein mit einem Trägerwerkstoff (6) verklebtes Glimmerpapier (5) umfasst. 15. Isoliersystem (20) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine nanopartikuläre Füllstoff (7) einen isotropen nanopartikulären Füllstoff und/oder einen anisotropen nanopartikulären Füllstoff umfasst. 16. Isoliersystem nach einem der Ansprüche 13-15, dadurch gekennzeichnet, dass der nanopartikuläre Füllstoff (7) im Kunstharz im Wesentlichen vollständig exfoliert ist. |
[ 0001 ] Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Isolation von elektrischen Leitern gegen Teilentladung und im Speziellen ein Verfahren zur Herstellung eines
Isoliersystems mit verbesserter Teilentladungsbeständigkeit, ein Isolierband geeignet zur Verwendung in einem Verfahren zur Herstellung eines Isoliersystems mit verbesserter
Teilentladungsbeständigkeit und ein Isoliersystem mit
verbesserter Teilentladungsbeständigkeit . [ 0002 ] Toshikatsu Tanaka: "Similarity between Treeing Lifetime and PD Resistance in Aging Mechanisms for Epoxy
Nanocomposites", IEEE, Proceedings of the 9th International Conference on Properties and Application of Dielectric
Materials (Julyl9-29, 2009, Harbin , China) handelt über
Ähnlichkeit zwischen Treeing Lebenszeit und
Teilentladungswiderstand in Alterungsprozessen für Epoxy
Nanocomposites .
[ 0003 ] Yang Cao, Patricia C. Irwin, Karim Younsi: „The Future of Nanodielectrics in the Electical Power Industry", IEEE Transactions on Dilectrics and Electrical Insulation handelt über die Zukunft von Nanodielektrika in der Industrie der Elektrischen Energie.
[ 0004 ] In rotierenden elektrischen Maschinen, wie Motoren oder Generatoren, ist die Zuverlässigkeit des Isoliersystems maßgeblich für deren Betriebssicherheit verantwortlich. Das Isoliersystem hat die Aufgabe, elektrische Leiter (Drähte, Spulen, Stäbe) dauerhaft gegeneinander und gegen das
Ständerblechpaket oder die Umgebung elektrisch zu isolieren. Innerhalb einer Hochspannungsisolierung unterscheidet man die Isolierung zwischen Teilleitern (Teilleiterisolierung) , zwischen den Leitern bzw. Windungen (Leiter- bzw.
Windungsisolierung) und zwischen Leiter und Massepotenzial im Nut- und Wickelkopfbereich (Hauptisolierung) . Die Dicke der Hauptisolierung ist sowohl der Nennspannung der Maschine, als auch den Betriebs- und Fertigungsbedingungen angepasst. Die Wettbewerbsfähigkeit zukünftiger Anlagen zur Energieerzeugung, deren Verteilung und Nutzung hängt in entscheidendem Maße von den eingesetzten Materialien und angewandten Technologien zur Isolation ab.
[0005] Das grundlegende Problem bei derartig elektrisch belasteten Isolatoren liegt in der sog.
teilentladungsinduzierten Erosion mit sich ausbildenden sogenannten „Treeing"-Kanälen, die letztendlich zum
elektrischen Durchschlag des Isolators führen. Figur 1 zeigt einen solchen von einem elektrischen Leiter 1 ausgehenden Treeing-Kanal 2 in einem Epoxidharzformstoff 3 gemäss dem Stand der Technik.
[0006] Bei Hoch- und Mittelspannungsmaschinen werden heute sogenannte imprägnierte geschichtete Glimmerisolierungen eingesetzt. Dabei werden die aus den isolierten Teilleitern hergestellten Formspulen und Leiter mit Glimmerbändern
umwickelt und vorzugsweise in einem
Vakuum-Druck-Imprägnierungs-Prozess (VPI-Prozess ) mit
Kunstharz imprägniert. Der Verbund von Imprägnierharz und dem Trägerband des Glimmers liefert die heutige mechanische
Festigkeit sowie die geforderte Teilentladungsresistenz der elektrischen Isolierung.
[0007] Der bisher genutzte Naturglimmer mit begrenzten
Ressourcen an Muskowit, Phlogopit z. B. in Madagaskar, Indien, Brasilien, wird zu einem Feinglimmerpapier verarbeitet. Das daraus herzustellende Glimmerpapier wird anschließend
entsprechend den Bedürfnissen der elektrotechnischen Industrie in ein stabileres Glimmerband umgewandelt. Dies erfolgt durch die Verklebung des Glimmerpapiers mit einem Trägerwerkstoff, der eine große mechanische Festigkeit aufweist, durch einen Kleber (In der Fachsprache auch Bandkleber oder Kaschierkleber oder Klebestoff genannt) . Der Kaschierkleber zeichnet sich vorzugsweise dadurch aus, dass er bei Raumtemperatur eine hohe Festigkeit aufweist, um die Verbindung von Glimmer und Träger sicher zu stellen und bei erhöhten Temperaturen (60°C - 150°C) in einen flüssigen Zustand übergeht. Dies ermöglicht dessen Applikation als Klebstoff bei erhöhter Temperatur in flüssiger Form oder im Gemisch mit einem leichtflüchtigen Lösungsmittel. Nach Abkühlung oder Abzug des Lösungsmittels liegt der
Kaschierkleber in fester aber dennoch flexibler Form vor und ermöglicht beispielsweise die Applikation des Glimmerbandes um Röbelstäbe bestehend aus Teilleitern und Formspulen bei
Raumtemperatur, wobei die Klebeigenschaften des
Kaschierklebers verhindern dass es zur Delamination des
Glimmerpapiers vom Trägermaterial kommt. Das so entstandene Glimmerband wird in mehreren Lagen um elektrische Leiter gewickelt. Im Rahmen der Imprägnierung des Glimmerbandes im nachgelagerten VPI-Prozesses kommt es zum Aufschmelzen des Kaschierklebstoffes, um sicher zu stellen, dass es nicht zu organisch/organischen Phasengrenzen in der Isolierstoffmatrix kommt, die die elektrischen und mechanischen und thermo- mechanischen Eigenschaften negativ beeinflussen würden. Die so entstandene Schichtung aus organischen (Tränkharz und
Kaschierkleber) und anorganischen Materialien
(Trägerwerkstoff, Glimmer) bildet mikroskopische
Feststoff-Feststoff-Grenzflächen, deren Beständigkeit gegen Teilentladungen und thermische Beanspruchungen von den
Eigenschaften der Glimmerplättchen bestimmt werden.
Gleichzeitig erfüllt sie beim Einbau der isolierten Leiter in die Statornut (vor Durchführung der Imprägnierung) die
Aufgabe, zwischen Leiter und Blechpaket einen definierten Abstand einzustellen. Durch den aufwendigen VPI-Prozess sollen kleinste Hohlräume in der Isolierung gefüllt werden, da innere Gas-Feststoff-Grenzflächen die elektrische Festigkeit der Isolierung aufgrund von darin zündenden Teilentladungswolken schwächen würden. Allerdings lassen sich diese Teilentladungen nie zu 100 Prozent eliminieren.
[0008] Aus diesem Grund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Isolationssystem mit verbesserter
Teilentladungsbeständigkeit zu ermöglichen. [0009] Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen
Ansprüchen beschriebenen Lösungen gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben . [0010] Gemäss einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Isoliersystems mit verbesserter
Teilentladungsbeständigkeit vorgestellt. In einem ersten
Verfahrensschritt wird dazu ein Isolierband, welches ein
Glimmerpapier und einen Trägerwerkstoff umfasst,
bereitgestellt. Das Glimmerpapier und der Trägerwerkstoff sind mittels eines Kleber miteinander verklebt. Der Kleber enthält mindestens einen nanopartikulären Füllstoff. Mit dem
Isolierband wird anschliessend ein elektrischer Leiter
umwickelt. Danach wird das um den Leiter gewickelte
Isolierband mit Kunstharz imprägniert.
[0011] Gemäss einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Isolierband vorgestellt, welches zur Verwendung in einem
Verfahren zur Herstellung eines Isoliersystems mit
verbesserter Teilentladungsbeständigkeit geeignet ist. Das Isolierband umfasst ein mittels eines Kleber mit einem
Trägerwerkstoff verbundenes Glimmerpapier, wobei der Kleber mindestens einen nanopartikulären Füllstoff umfasst.
[0012] Gemäss einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Isoliersystem mit verbesserter Teilentladungsbeständigkeit vorgestellt. Das Isoliersystem umfasst ein um einen
elektrischen Leiter gewickeltes Isolierband. Das Isolierband umfasst ein mit einem Trägerwerkstoff verbundenes Glimmerband. Das Isolierband ist mit einem Kunstharz imprägniert und mit einem nanopartikulären Füllstoff durchsetzt. [0013] Die Durchsetzung des Kunstharzes mit nanopartikulärem Füllstoff resultiert in einer erhöhten Teilentladungsbeständigkeit des Isoliersystems. Als anschauliche Erklärung für diese verbesserte Eigenschaft wird vermutet, dass ein durch eine Teilentladung verursachter Treeing-Kanal um die Partikel des nanopartikulären Füllstoffes herum wandern muss, wodurch sich bis zu einem vollständigen elektrischen Durchschlag durch die Isolation der Weg des Treeing-Kanals verlängert.
[0014] Die Verwendung von nanopartikulären Füllstoffen für den Einsatz in glimmerbasierten Hochspannungsisolationen ist bisher nicht möglich, da deren Einsatz im Tränkharz dessen Viskosität, aufgrund der hohen spezifischen Oberfläche der Nanopartikel , stark erhöht und somit die Durchimprägnierung des Glimmers im VPI-Prozess unmöglich macht. Der Einsatz nanopartikulärer Füllstoffe als Teil des Klebers, der zum Verbund von Glimmerpapier und Trägerwerkstoff zum Einsatz kommt, ermöglicht die Implementierung von Nanopartikeln in der Isolierung ohne negative Viskositätsbeeinflussung des
Imprägnierharzes .
[0015] Durch die Verwendung von nanopartikulären Füllstoffen als Teil des Klebers sind verbesserte Lebensdauerkennwerte an Isolationen bei Isolationsstärken von 0,5 bis 10 mm
nachgewiesen worden. Der Klebers dient in Glimmerbändern zur Fixierung des Glimmerpapiers an ein Gewebe mit dem Ziel, dass der resultierende Verbund eine ausreichende mechanische
Festigkeit zur automatisierten Wicklung aufweist. Im Gegensatz zum Tränkharz ergibt sich beim Einsatz von organischen und anorganischen isotropen bzw. anisotropen Nanopartikeln und deren Kombination im Kleber des Glimmerbandes ein geringer Einfluss auf die Prozessführung.
[0016] Mit andern Worten lassen sich gemäss Aus führungs formen der Erfindung durch die Beaufschlagung des Klebers mit
isotropen und/oder anisotropen, nanopartikulären Füllstoffen oder auch deren Mischung sowie deren homogenen Verteilung zwischen die das Isolationssystem aufbauenden einzelnen Lagen die elektrischen Kennwerte des gewickelten und postgehärteten Isolationsformstoffes verbessern, was im Falle des
herkömmlichen nur mit Standardglimmerband gewickelten und anschließend imprägnierten Isolationskomposits nur schwerlich möglich ist. So ist es dank der Erfindung erstmals möglich, durch Verwendung von isotropen und/oder anisotropen nanopartikulären Füllstoffen bzw. Füllstoffblends, hochgradig elektrisch stabile Isolationsmaterialen mit herzustellen, die sich durch signifikant verbesserte Teilentladungsresistenz und somit eine höhere mittlere Lebensdauer aufweisen, als
herkömmliche Generator- oder Motorleiterisolationen.
[0017] Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert:
[0018] Figur 1 zeigt einen Treeing-Kanal in einem
Epoxidharz formstoff ; [0019] Figur 2 zeigt einen schematischen Aufbau eines mit
einem Kaschierkleber versehenen Glimmerbandes gemäss einer Aus führungs form der Erfindung;
[0020] Figur 3 illustriert schematisch einen Aufbau und ein
Verfahren zur Herstellung eines mittels eines
Glimmerbandes isolierten Kupferleiters gemäss einer weiteren Aus führungs form der Erfindung;
[0021] Figur 4 zeigt einen Vergleich der Lebensdauerkennlinien von mehreren produktionsnahen Funktionsdemonstratoren;
[0022] Figuren 5A und 5B zeigen je eine Transmissions- Elektronenmikroskop-Aufnahme einer gehärteten Probe einer Isolierung gemäss einer Aus führungs form der Erfindung, wobei die Isolierung mit Kaschierkleber hergestellt wurde, der als nanopartikulärer Füllstoff Schichtsilikat umfasste, welches in der Probe im wesentlichen vollständig exfoliert ist;
[0023] Figuren 6A und 6B zeigen je eine Transmissions- Elektronenmikroskop-Aufnahme einer gehärteten Probe einer Isolierung gemäss einer Aus führungs form der Erfindung, wobei die Isolierung mit Kaschierkleber hergestellt wurde, der als nanopartikulärer Füllstoff sphärisches Siliziumdioxid umfasste; [ 0024 ] Figuren 7A und 7B zeigen je eine Transmissions-
Elektronenmikroskop-Aufnähme einer gehärteten Probe einer Isolierung gemäss einer Aus führungs form der
Erfindung, wobei die Isolierung mit Kaschierkleber hergestellt wurde, der als nanopartikuläre Füllstoffe Schichtsilikat und sphärisches Siliziumdioxid umfasste.
[ 0025 ] Figur 8 zeigt einen Vergleich von zwei Wide Angle X-Ray
Spectroscopy Diffraktogrammen, einer gemäss einer
Aus führungs form der Erfindung hergestellten Isolierung und einer gemäss dem Stand der Technik hergestellten Isolierung;
[ 0026 ] Figur 9 zeigt ein Isoliersystem in einer
Aus führungs form der Erfindung.
[ 0027 ] Figur 2 zeigt einen schematischen Aufbau eines
Glimmerbandes 10 gemäss einer Aus führungs form der Erfindung. Das Glimmerband 10 umfasst ein Glimmerpapier 5, einen
Trägerwerkstoff 6, Kaschierkleber 8 und einen nanopartikulären Füllstoff 7. Der Trägerwerkstoff 6 ist beispielsweise
blattförmig, bandförmig und/oder folienförmig ausgebildet, und kann beispielsweise als Gewebe, Vlies, Substrat, Band und/oder Folie ausgebildet sein. Das Glimmerpapier 5 und der
Trägerwerkstoff 6 sind im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Der Kaschierkleber ist zwischen dem Glimmerpapier 5 und dem Trägerwerkstoff 6 angeordnet und umfasst den
nanopartikulären Füllstoff, welcher in Figur 2 als Pluralität von mehreren Nanopartikeln 7 dargestellt ist. Das
Glimmerpapier 5 und der Trägerwerkstoff 6 werden durch den Kaschierkleber 8 welcher den nanopartikulären Füllstoff 7 umfasst durch Adhäsion zusammengehalten.
[ 0028 ] Der Kaschierkleber 8 dient in Glimmerbändern 10 zur Fixierung des Glimmerpapiers 5 an den Trägerwerkstoff 6 mit dem Ziel, dass der resultierende Verbund eine ausreichende mechanische Festigkeit zur vorzugsweise automatisierten
Wicklung aufweist. Im Gegensatz zum Tränkharz ergibt sich beim Einsatz von organischen und anorganischen isotropen bzw. anisotropen Nanopartikeln und deren Kombination im
Kaschierkleber des Glimmerbandes ein geringer Einfluss auf die Prozessführung .
[0029] Auf der anderen Seite stellt der Bandkleber mit ca. 5-8 Gew.-% (Glimmerbänder auf Zinknaphtenatkomplexen basierend), bzw. ca. 20 Gew.-% (Glimmerbänder auf aminischen Katalysatoren basierend) nur einen vergleichsweise geringen Anteil an der Gesamtisolierung dar. Es ist daher bevorzugt die
nanopartikulären Füllstoffe (isotrop oder anisotrop und deren Mischung) in hohen Füllstoffkonzentrationen 0,5 - 80 Gew.-% in den Bandkleber einzubringen und anschließend im VPI-Prozess auf Konzentration zwischen 1 - 10 Gew.-% runter zu verdünnen. Vorzugsweise reichen die mittels Kaschierkleber eingebrachten nanopartikulären Füllstoffmengen für eine signifikante
Eigenschaftsverbesserung glimmerbasierter Isolationssysteme aus .
[0030] Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand von vorzugsweise für die Erfindung verwendeten Nanopartikeln vorgeschlagen :
[0031] Die zu beaufschlagenden isotropen, nanopartikulären Füllstoffe fallen bevorzugt in die Gruppen der Metalloxide (in diesem Dokument sollen unter den Begriff Metalloxiden auch Halbmetalloxide zu verstehen sein), wie z. B. Quarzmehl,
Quarzgut Aluminiumoxid, Aluminiumhydroxid,
Aluminiumoxohydroxid, Siliziumdioxid (gegebenenfalls
oberflächenbehandelt) etc. oder der polymeren Nanopartikel
(sortenrein, Copolymere oder als sog. Core/Shell-Partikel ) .
[0032] Die zu beaufschlagenden anisotropen, nanopartikulären Füllstoffe sind bevorzugt Schichtsilikate, die nach
bevorzugten Aus führungs formen der Erfindung nach besonderer Technik vollständig delaminiert, d. h. evident exfoliert im Basisharz vorliegen und bevorzugt, aber nicht zwingend, mit Imidaminen ionenausgetauscht sind. Denkbar ist jedoch auch die Verwendung von Bornitriden als anisotropem Füllstoff. [0033] Generell sind als zu beaufschlagenden Füllstoffe auch Titanoxide, Zinkoxide und Bariumtitanate in nanopartikulärer Form denkbar.
[0034] Figur 3 illustriert schematisch einen Aufbau und eine Herstellung eines mittels eines Glimmerbandes 10 isolierten Kupferleiters gemäss einer weiteren Aus führungs form der
Erfindung. Ein als Kupferstab ausgebildeter elektrischer
Leiter 13 ist mehrlagig mit einem Glimmerband 10 wie
beispielsweise dem in Figur 2 beschriebenen Glimmerband umwickelt. Abgebildet sind in Figur 3 eine erste Lage 11 und eine zweite Lage 12. Das Glimmerband 10 kann jedoch je nach gewünschter Isolierung auch einlagig oder mehrlagig gewickelt sein. Zusätzlicher elektrischer und auch mechanischer
Isolationsschutz wird durch ein Deckband VGW2, einen
Endglimmschutz EGS, ein Deckband 21 und einen
Aussenglimmschutz AGS erzielt.
[0035] Das um den elektrischen Leiter gewickelte Glimmerband 10 wird in einem Verfahrenschritt 18 mit einem Kunstharz imprägniert. Durch die Imprägnierung diffundiert der in dem Glimmerband 10 enthaltene Kaschierkleber 8 und der in dem Glimmerband enthaltene nanopartikuläre Füllstoff 7 in das Kunstharz, wodurch der nanopartikuläre Füllstoff exfoliert. Das Exfolieren bewirkt, dass der nanopartikuläre Füllstoff
(welcher in dem Kaschierleim noch sehr dicht sein kann so dasi sich viele der Nanopartikel berühren) so verdünnt wird, dass sich weniger oder vorzugsweise fast keine Nanopartikel mehr berühren. Mit einem Diffraktometer kann im Rahmen einer Wide Angle X-Ray Spektroskopie (WAXS) der Prozess des Exfolierens nachgewiesen werden (vgl. Figur 8) . Die Qualität der
Isolierung kann mit einer dielektrischen Verlustfaktormessung
(auch Tangens-Delta-Messung genannt) gemessen werden, bei welcher das Verhältnis von Wirkleistung zu Blindleistung bestimmt wird.
[0036] Die resultierenden technischen Vorteile sollen anhand produktionsnaher Funktionsdemonstratoren nachgewiesen werden. Figur 4 zeigt deshalb gemessene Lebensdauerkennlinien von mehreren produktionsnahen Funktionsdemonstratoren . Drei der Funktionsdemonstratoren wurden mit nanopartikulärem
Kaschierkleber gefertigten Glimmerbändern hergestellt und ein Funktionsdemonstrator wurde mit einem nach dem derzeitigen Stand der Technik gefertigten Glimmerband hergestellt.
[ 0037 ] Dabei erfolgte eine Fokussierung auf geraden
Stabmodellen, die eine Auslegung entsprechender Isolierungen für den Einsatz bei einer Nennspannung von 6,5 kV aufweisen. Dies wurde mittels 4-lagiger Umwicklung von Feinglimmerbändern mit einem Überlappungsgrad von 48 % realisiert. Die
verwendeten Glimmerbänder beinhalten einen mit Nanopartikeln gefüllten Bandkleber. Um die Vergleichbarkeit zwischen
ungefüllten und nanopartikulär gefüllten Systemen zu
gewährleisten, wurden sowohl ungefüllte als auch
nanopartikulär gefüllte Funktionsdemonstratoren aufgebaut. Zur Charakterisierung der elektrischen Festigkeit wurde
vereinbart, jeweils 7 Probekörper bei einer Spannung bis zum elektrischen Durchschlag zu testen. Als Messgrößen wurden folgende Spannungen festgelegt:
[ 0038 ] Charakterisierung der elektrischen Festigkeit bei 3 U N = 19,5 kV;
[ 0039 ] Charakterisierung der elektrischen Festigkeit bei 2,5 U N = 16,25 kV;
[ 0040 ] Charakterisierung der elektrischen Festigkeit bei 2,3 U N = 15,0 kV .
[ 0041 ] In Figur 4 sind die gemessene Lebensdauerkennlinien von vier Funktionsdemonstratoren abgebildet. Die Abszisse zeigt dabei die gemessene Lebensdauer in Stunden und die Ordinate die im imprägnierten Isolator auftretende Feldstärke in
Kilovolt pro Millimeter. [0042] Kennlinie 31 bezieht sich auf einen Miclasic-Referenz- Funktionsdemonstrator, welcher gemäss dem Stand der Technik ohne nanopartikulärem Füllstoff hergestellt wurde.
[0043] Kennlinie 32 bezieht sich auf einen Funktionsdemonstra- tor, welcher mittels eines Glimmerbandes mit 20
Gewichtsprozent nanopartikulärem Organoclay Schichtsilikat im Kaschierkleber hergestellt wurde.
[0044] Kennlinie 33 bezieht sich auf einen Funktionsdemonstra- tor, welcher mittels eines Glimmerbandes mit 10 Gewichts- prozent nanopartikulärem Organoclay Schichtsilikat und 10
Gewichtsprozent nanopartikulärem Siliziumdioxid im Kaschier ¬ kleber hergestellt wurde. In diesem Ausführungsbeispiel wurde also sowohl ein anisotroper (Schichtsilikat) und ein isotroper (Siliziumdioxid) nanopartikulärer Füllstoff verwendet. [0045] Kennlinie 34 bezieht sich auf einen Funktionsdemonstra- tor, welcher mittels eines Glimmerbandes mit 50 Gewichts ¬ prozent nanopartikulärem Siliziumdioxid im Kaschierkleber hergestellt wurde.
[0046] Erläuterung zur Figur 4, die Angaben beziehen sich hierbei auf die Konzentration im Bandkleber:
[0047] Kennlinie 31: Micalastic - E F PR ;
[0048] Kennlinie 32: 20 Gew.% Organoclay;
[0049] Kennlinie 33: Mischung 10 Gew.% Organoclay und 10 Gew.% sphärische Nanopartikel; [0050] Kennlinie 34: sphärische Nanopartikel 50 %.
[0051] Anhand der Kennlinien von Figur 4 zeigt sich, dass sämtliche Isoliersysteme für deren Herstellung der Kaschierkleber des Glimmerbandes mit einem oder mehreren
nanopartikulären Füllstoffen beaufschlagt wurde eine höhere Lebensdauer aufweisen. Dies gilt insbesondere für die
Kennlinie welche mit 50 Gewichtsprozent Siliziumdioxid, also mit sphärischen Nanopartikeln, im Kaschierkleber hergestellt wurde .
[0052] Bei der Verwendung des Glimmerbandes mit einem Anteil von 50 Gew. % sphärischer Nanopartikel ergibt sich aus den dargestellten Auftragungen eine signifikante Eigenschafts ¬ verbesserung hinsichtlich der elektrischen Festigkeit bei Verwendung des nanopartikulär gefüllten Bandklebers.
[0053] So ist es aufgrund der vorgestellten Erfindung erstmals möglich, durch Verwendung von nanopartikulären Füllstoffen, bzw. Füllstoffblends im Kaschierkleber, hochgradig
teilentladungsresistente Isolationsmaterialen in-situ in der VPI-Imprägnierung herzustellen, die eine signifikant
verbesserte Teilentladungsresistenz und somit eine höhere mittlere Lebensdauer aufweisen als herkömmlich verwendete Glimmerbandisolierungen im Generator- oder Motorenbau.
[0054] Sowohl das Basisharz des Kaschierklebers als auch das als Imprägniermittel verwendete Kunstharz kann vorzugsweise alle Derivate von Kunstharzen umfassen, besonders
erfolgversprechend erweisen sich Epoxidharze des Typs
Bisphenoldiglycidylether A oder F und deren nicht notwendigen Kombination mit epoxifunktionellen niedermolekularen
Monomeren. Zweckmäßig ist die Härtung mittels
Phthalsäureanhydridderivaten, z. B. (Methyl ) tetrahydro- oder (Methyl ) hexahydro-phthalsäureanhydrid, ist jedoch nicht darauf beschränkt; denkbar ist auch eine aminische Härtung bei niedrigen Temperaturen bzw. Raumtemperatur. Denkbar ist ebenfalls die Verwendung gänzlich anderweitiger Klebstoffe, wie Polyurethan, Polyetherimide, Polyacrylate, Polyethen/- propen/-styren, ungesättigte Polyesterimide, ungeättgite
Polyester, Polyamidimide, Polystyrole, Polyimide, etc.
[0055] Der dem Klebstoff zugefügte Füllstoff kann aus einem oder mehreren Komponenten bestehen und soll isotrope und/oder anistrope Formen aufweisen. Der Gesamtfüllstoffanteil
isotroper und/oder anisotroper FüllstoffZuschläge oder
Füllstoffblends sollte zweckmäßig 0,5 - 80 Gew.-% betragen. [0056] Figuren 5A, 5B, 6A, 6B, 7A, 7B zeigen transmissions- elektronenmikroskopische Aufnahmen von imprägnierten und gehärteten Proben von Isolierungen gemäss verschiedener
Aus führungs formen der Erfindung. [0057] Figuren 5A und 5B zeigen je eine Transmissions- Elektronenmikroskop-Aufnahme einer gehärteten Probe einer Isolierung gemäss einer Aus führungs form der Erfindung, wobei die Isolierung mit Kaschierkleber hergestellt wurde, der als nanopartikulärer Füllstoff Schichtsilikat umfasste, welches in der Probe im wesentlichen vollständig exfoliert ist;
[0058] Figuren 6A und 6B zeigen je eine Transmissions- Elektronenmikroskop-Aufnahme einer gehärteten Probe einer Isolierung gemäss einer Aus führungs form der Erfindung, wobei die Isolierung mit Kaschierkleber hergestellt wurde, der als nanopartikulärer Füllstoff sphärisches Siliziumdioxid
umfasste ;
[0059] Figuren 7A und 7B zeigen je eine Transmissions- Elektronenmikroskop-Aufnahme einer gehärteten Probe einer Isolierung gemäss einer Aus führungs form der Erfindung, wobei die Isolierung mit Kaschierkleber hergestellt wurde, der als nanopartikuläre Füllstoffe Schichtsilikat und sphärisches Siliziumdioxid umfasste.
[0060] Auf sämtlichen der Figuren 5A, 5B, 6A, 6B, 7A, 7B sind die Nanopartikel , die sich als dunklere Strukturen vom Rest der Isolierung abheben, erkennbar. Erkennbar ist auch, dass sich diese Nanopartikel im Isoliersystem im Wesentlichen homogen verteilt haben.
[0061] Figur 8 zeigt einen Vergleich von zwei Wide Angle X-Ray Spectroscopy Diffraktogrammen, welche den Einstrahlungswinkel von auf eine Probe eingestrahlter Röntgenstrahlung (Abszisse) gegen die in einem Detektor gemessene Intensität (Ordinate) aufzeigt. Das Bezugszeichen 41 zeigt dabei das Diffraktogramm von nativem nicht exfoliertem nanopartikulärem Schichtsilikat, während das Bezugszeichen 42 das Diffraktogramm von gemäss einer Aus führungs form der Erfindung verwendetem Schichtsilikat einer fertigen Isolierung zeigt (entsprechend der Figuren 5A, 5B) . Anhand von Figur 8 ist deutlich erkennbar, dass das
Schichtsilikat nach Diffraktogramm 42 im Wesentlichen
keinerlei taktoide Struktur aufweist, während das
Diffraktogramm 41 eine solche aufweist. Alle das native
Schichtsilikat aufbauenden nanopartikulären
Schichtsilikatlamellen liegen vereinzlt vor.
[ 0062 ] Somit ist die homogene Verteilung von ansiotropen
Schichtsilikatlamellen (Figur 5A, Figur 5B, Figur 8 ) , von isotropen nanopartikulären Siliziumoxidpartikeln (Figur 6A, Figur 6B) und deren Kombination (Figur 7A, Figur 7B) zwischen den Schichten des Glimmerbandes mittels
Transmissionselektronenmikroskop und mittels WAXS- Untersuchungen nachgewiesen.
[ 0063 ] Vollständige und aufwandsarme Nachweisbarkeit der
Verwendung der Erfindung lässt sich im Kaschierklebstoff mittels Fourier-Transformations-Infrarot Spektroskopie
(FT-IR), Nuclear Magnetic Resonance (NMR), Elementanalyse, Sekundär-Ionen-Massenspektroskopie (SIMS), Matrix-Assisted- Laser-Desorption/Ionisation-Time-Of-Flight (MALDI-TOF)
nachweisen .
[ 0064 ] Vollständige und aufwandsarme Nachweisbarkeit der verwendeten Füllstoffart und allenfalls derer Konzentrationen lässt sich nachweise mittels: Atomic Force Microscope (AFM) , Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) , Röntgenstrahlen- Photoelektronen-Spektroskopie (XPS), Thermographimetrische Analyse (TGA) , Korngrößenmessung nach Abtrennung des
Umhüllharzes, Elementanalyse. [ 0065 ] Figur 9 zeigt schematisch ein fertiges Isoliersystem 90 in einer weiteren Aus führungs form der Erfindung, welches mittels eines Verfahrens gemäss einer Aus führungs form der Erfindung und mittels einem Isolierband gemäss einer
Aus führungs form der Erfindung herstellbar ist. Das
Isoliersystem 90 umfasst einen elektrischen Leiter (91), ein Isolierband 92, Kunstharz 93, einen nanopartikulären Füllstoff 7 (dargestellt als Nanopartikel 7, von welchen aus Gründen der Übersichtlichkeit der Figur ein kleiner Teil mit dem
Bezugszeichen 7 gekennzeichnet ist) , sowie eine äussere
Schutzhülle 94.
[0066] Das Isolierband 92 umfasst ein mit einem Trägerwekstoff 6 verbundenes Glimmerband 5 und ist um den elektrischen Leiter 91 gewickelt. Das Isolierband ist mit einem Kunstharz 93 imprägniert und mit dem nanopartikulären Füllstoff 7
durchsetzt.
[0067] Das Isoliersystem 90 wird vorzugsweise aus einem
Isolierband 10 wie in Figur 2 dargestellt hergestellt. Das Isolierband umfasst in seiner Ausgangsform also ein
Glimmerpapier 5 und einen Trägerwerkstoff 6, die mittels eines Klebers 8 miteinander verklebt sind, wobei dem Kleber 8 mindestens einen nanopartikulärer Füllstoff 7 beigemengt ist. Der elektrische Leiter 90 wird mit dem Isolierband 10
umwickelt. Danach wird das um den Leiter 13 gewickelten
Isolierband 10 mit Kunstharz imprägniert. Durch den
Imprägnierprozess vermischt sich der Kleber vorzugsweise mit dem Imprägnierharz und der nanopartikuläre Füllstoff 7
verteilt sich vorzugsweise im Wesentlichen homogen
kolloiddispers in dem Kunstharz.