Imprägnierharz für einen Elektroisolationskörper,

Elektroisolationskörper und Verfahren zum Herstellen des Elektroisolationskörpers

Die Erfindung betrifft ein Imprägnierharz für einen Elektroisolationskörper, den Elektroisolationskörper und ein Verfah- ren zum Herstellen des Elektroisolationskörpers.

Elektrische Maschinen, wie z.B. Motoren und Generatoren, weisen elektrische Leiter, eine Hauptisolation und ein Ständerblechpaket auf. Die Hauptisolation dient dem Zweck, die Leiter gegeneinander, gegen das Ständerblechpaket und gegen die Umgebung elektrisch zu isolieren. Bei Betrieb der elektrischen Maschine können sich durch elektrische Teilentladungen Funken bilden, die sog. „Treeing" -Kanäle in der Hauptisolation ausbilden können. Als Folge der „Treeing" -Kanäle kann es zu einem elektrischen Durchschlag durch die Hauptisolation kommen. Eine Barriere gegen die Teilentladungen wird durch den Einsatz von Glimmer in der Hauptisolation erreicht, welcher eine hohe Teilentladungsbeständigkeit hat. Der Glimmer wird in Form von plättchenförmigen Glimmerpartikeln mit einer herkömmlichen Partikelgröße von mehreren 100 Mikrometern bis zu mehreren Millimetern eingesetzt, wobei die Glimmerpartikel zu einem Glimmerpapier verarbeitet werden. Zur Erhöhung der Festigkeit und zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit wird ein Elektroisolationsband verwendet, welches neben dem Glimmer- papier eine Trägerstruktur aufweist.

Zur Herstellung der Hauptisolation wird das Elektroisolationsband um den Leiter gewickelt. Darauf folgend wird das Elektroisolationsband mit einem Kunstharz imprägniert und an- schließend wird das Kunstharz ausgehärtet. Zur Verbesserung der Teilentladungsbeständigkeit der Hauptisolation ist der Einsatz von nanoskaligen Partikeln bekannt, die in dem Kunstharz vor dem Imprägnieren dispergiert werden. Durch die An- Wesenheit der Partikel verkürzt sich jedoch die Lebensdauer des Kunstharzes. Dies zeigt sich insbesondere in einer voranschreitenden Polymerisierung des Kunstharzes, welche zu einem Anstieg der Viskosität des Kunstharzes führt und damit die Imprägnierung des Elektroisolationsbandes erschwert.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Imprägnierharz für einen Elektroisolationskörper zu schaffen, wobei sowohl das Imprägnierharz als auch der Elektroisolationskörper eine lange Lebensdauer haben.

Das erfindungsgemäße Imprägnierharz für einen Elektroisolationskörper weist ein Basisharz, einen nanoskalige Partikel aufweisenden Füllstoff und einen radikalisch polymerisieren- den Reaktivverdünner auf. Der Reaktivverdünner hat eine niedrigere Viskosität als das Basisharz, wodurch ein höherer Massenanteil der nanoskaligen Partikeln in dem erfindungsgemäßen Imprägnierharz realisierbar ist, als es bei einem vergleichbaren Imprägnierharz mit gleicher Viskosität ohne den Reak- tivverdünner möglich ist. Durch die Anwesenheit des Reaktivverdünners verringert sich die Konzentration des Basisharzes in dem Imprägnierharz, wodurch sich die Polymerisierungs- geschwindigkeit des Basisharzes erniedrigt und sich somit vorteilhaft seine Lebensdauer verlängert.

Das Verhältnis m (Reaktivverdünner) / (m (Basisharz ) + m(Reak- tiwerdünner) ) beträgt bevorzugt von 0.3 bis 0.7, besonders bevorzugt von 0.4 bis 0.6, wobei m (Basisharz) und m (Reaktivverdünner) jeweils die Massen des Basisharzes und des Reak- tivverdünners in dem Imprägnierharz sind. Mit diesem Verhältnis lässt sich vorteilhaft ein besonders hoher Massenanteil der nanoskaligen Partikeln in dem Imprägnierharz erreichen bei gleichzeitig einer hohen Festigkeit des ausgehärteten Imprägnierharzes .

Der Reaktivverdünner ist bevorzugt Styrol, Vinyltoluol, insbesondere o-Vinyltoluol , m-Vinyltoluol und/oder p-Vinyl- toluol, ein Alkylacrylat und/oder Alkandioldiacrylat , insbe- sondere Hexandioldiacrylat , insbesondere 1 , 6 -Hexandioldiacry- lat . Diese Verbindungen haben vorteilhaft eine besonders niedrige Viskosität, so liegt beispielsweise die Viskosität von Styrol zwischen 0,7 und 0,8 mPa*s und damit ungefähr 20 % niedriger als die Viskosität von Wasser.

Es ist bevorzugt, dass das Basisharz ein Epoxidharz, ein Polyesterimid, insbesondere ein ungesättigtes Polyesterimid, ein Polyester, insbesondere ein ungesättigter Polyester, und/oder ein Polyurethan. Das Epoxidharz weist bevorzugt Bisphenol -A-diglycidylether, Bisphenol -F-diglycidylether, Phenolnovolake , aliphatische Epoxide und/oder cycloaliphati - sehe Epoxide auf. Weiterhin ist bevorzugt, dass das Epoxidharz ein cyclisches Carbonsäureanhydrid aufweist, insbeson- dere Maleinsäureanhydrid, Phthalsäureanhydrid, Methylhexa- hydrophthalsäureanhydrid und/oder Hexahydrophthalsäure- anhydrid. Es ist weiterhin bevorzugt, dass das Epoxidharz ein Amin als Härter aufweist. Bei allen vorgenannten Basisharzen handelt es sich um nicht radikalisch polymerisierende Harze, die nicht mit dem radikalisch polymerisierenden Reaktivverdünner reagieren. Dadurch und indem sich durch die Anwesenheit des Reaktivverdünners die Konzentration des Basisharzes in dem Imprägnierharz erniedrigt, erniedrigt sich die Geschwindigkeit der Polymerisierung des Basisharzes. Dadurch hat das Imprägnierharz vor dem Imprägnieren vorteilhaft eine besonders lange Lebensdauer.

Es ist bevorzugt, dass das Imprägnierharz einen Quervernetzer zum Vernetzen des Basisharzes und des Reaktivverdünners auf- weist, insbesondere

Bicyclo [2.2.1] hept-5-en-2 , 3 -dicarboxylanhydrid,

1 -Methylbicyclo [2.2.1] hept-5-en-2 , 3 -dicarboxylanhydrid,

2 -Methylbicyclo [2.2.1] hept-5-en-2 , 3 -dicarboxylanhydrid, 5 -Methylbicyclo [2.2.1] hept-5-en-2 , 3 -dicarboxylanhydrid und/oder

7 -Methylbicyclo [2.2.1] hept-5-en-2 , 3 -dicarboxylanhydrid als den Quervernetzer. Beim Aushärten des Imprägnierharzes wird die Alkengruppe des Quervernetzers bei dem radikalischen Kettenwachstum des Reaktivverdünners mit in das polymere Netzwerk des Reaktivverdünners eingebaut. Gleichzeitig wird die Anhydridgruppe des Quervernetzers in das polymere Netzwerk des Basisharzes eingebaut. Durch den Quervernetzer er- gibt sich vorteilhaft eine hohe Festigkeit des ausgehärteten Imprägnierharzes .

Es ist bevorzugt, dass das Imprägnierharz einen zweiten Füllstoff mit Partikeln aufweist, die einen mittleren Partikel- durchmesser von ca. 100 nm bis ca. 100 μπι aufweist. Die nanoskaligen Partikel und/oder die Partikel des zweiten Füllstoffs sind bevorzugt anorganische Partikel, die insbesondere Aluminiumoxid, Aluminiumhydroxid, Siliziumdioxid, Titandioxid, Seltenerdenoxid, Alkalimetalloxid, Metallnitrid, und/oder Schichtsilikate, insbesondere exfolierte oder teilweise exfolierte Schichtsilikate, aufweisen. Die nanoskaligen Partikel können beispielsweise durch ein in-situ Verfahren oder durch ein flammenpyrolytisches Verfahren hergestellt sein. Die Schichtsilikate können sowohl natürlicher als auch synthetischer Herkunft sein. Die genannten Stoffe für die

Partikel beschleunigen die Polymerisierung des Reaktivverdünners nicht, so dass das Imprägnierharz vorteilhaft eine lange Lebensdauer hat. Der mittlere Partikeldurchmesser der nanoskaligen Partikel liegt bevorzugt zwischen ca. 1 nm und ca. 100 nm. Durch eine Silanisierung der Oberflächen der Partikel durch ein Umsetzen der Partikel mit Alkylalkoxysilanen, insbesondere Methyltrimethoxysilan, Dimethyldimethoxysilan und/oder Trimethylmethoxysilan, kann die Oberfläche der Partikel organophiliert werden, so dass die Partikel vorteilhaft besser mit der Mischung aus dem Carbonsäureanhydrid und dem Oxiran mischbar sind und die Polymerisierung des Basisharzes weniger stark beschleunigen.

Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Oberflächen derart sila- nisiert werden, dass die Oberflächen als Quervernetzer zum Vernetzen des Basisharzes und des Reaktivverdünners wirken. Der erfindungsgemäße Elektroisolationskörper weist ein Elekt- roisolationsband auf, bevorzugt ein Glimmer und/oder Aluminiumoxid aufweisendes Elektroisolationsband, das von dem Imprägnierharz durchtränkt ist.

Indem das erfindungsgemäße Imprägnierharz mit einem höherem Massenanteil der nanoskaligen Partikel als das vergleichbare Imprägnierharz ohne den Reaktivbeschleuniger mit gleicher Viskosität hergestellt werden kann, kann auch der Elektroiso- lationskörper mit einem höheren Massenanteil an nanoskaligen Partikeln hergestellt werden als ein vergleichbarer Elektroisolationskörper mit dem vergleichbaren Imprägnierharz. Dadurch ist die Lebensdauer des Elektroisolationskorpers länger als die Lebensdauer des vergleichbaren Elektroisolationskör- pers . Durch den höheren Massenanteil an den nanoskaligen Partikeln erhöht sich zudem die Wärmeleitfähigkeit des Elektroisolationskorpers, was dessen Lebensdauer weiter erhöht.

Das Verhältnis m ( Imprägnierharz ) / (m ( Imprägnierharz ) + m (Elektroisolationsband) ) beträgt bevorzugt von 0.1 bis 0.6, wobei m ( Imprägnierharz ) und m (Elektroisolationsband) jeweils die Massen des Imprägnierharzes und des Elektroisolationsban- des in dem Elektroisolationskörper sind. Dabei lassen sich die hohen Massenanteile des Imprägnierharzes in dem Elektro- isolationskörper erreichen, wenn das Elektroisolationsband in einem „Resin-Rich-Verfahren" imprägniert wird. Dabei wird das Imprägnierharz mittels einer Backpresse in das Elektroisolationsband hinein gepresst und anschließend mit der Backpresse durch eine Zufuhr von Wärme ausgehärtet. Zusammen mit den hohen erreichbaren Massenanteilen der nanoskaligen Partikel in dem Imprägnierharz lassen sich vorteilhaft Massenanteile der nanoskaligen Partikel in dem Elektroisolationskörper von über 50 % erreichen. Es ist bevorzugt, dass das Elektroisolationsband des Elektroisolationskorpers Chromacetylacetonat , Zn-Naphthenat und/oder eine Verbindung mit der Strukturformel R ¹ C0 ^2" R ² C0 ^2" Zn ²⁺ als Reaktionsbeschleuniger aufweist, wobei R ¹ und R ² jeweils un- abhängig voneinander eine geradkettige oder verzweigte

Alkylgruppe sind, insbesondere C ₆ alkyl, C ₇ alkyl, C ₈ alkyl, C ₉ alkyl oder Ci ₀ alkyl . Der Reaktionsbeschleuniger beschleunigt die Polymerisierung des Basisharzes und liegt bevorzugt be- reits vor dem Imprägnieren in dem Elektroisolationsband vor, so dass die Polymerisierung des Basisharzes vorteilhaft erst nach dem Imprägnieren stattfindet. Die Verbindung mit der Strukturformel R ¹ C0 ^2" R ² C0 ^2" Zn ²⁺ ist vorteilhaft in einer höheren Reinheit und mit geringeren Qualitätsschwankungen als Zn-Naphthenat erhältlich, so dass die Aushärtung des Elektro- isolationskörpers vorteilhaft einfacher als mit dem Zn- Naphthenat bewerkstelligt werden kann.

Es ist bevorzugt, dass das Elektroisolationsband einen Radi- kalstarter aufweist, insbesondere ein Alkylperoxid, ein

Alkoylperoxid, ein Arylperoxid, insbesondere Dicumylperoxid, und/oder ein Aroylperoxid, insbesondere 2 , 5-Dimethyl-2 , 5- dibenzoylperoxyhexan und/oder Dibenzoylperoxid . Der Radikal - Starter startet das Kettenwachstum des Reaktivverdünners und liegt bevorzugt bereits vor dem Imprägnieren in dem Elektroisolationsband vor, so dass die Polymerisierung des Reaktivverdünners vorteilhaft erst nach dem Imprägnieren stattfindet. Der Zerfall des Radikalstarters und damit das Kettenwachstum kann beispielsweise durch eine Zufuhr von Wärme oder durch eine Bestrahlung mit Licht, vorzugsweise mit UV-Licht, initiiert werden. Es ist bevorzugt, dass das Imprägnierharz Benzochinon als Stabilisator für die radikalische Polymerisierung aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen des Elektroiso- lationskörpers weist die Schritte auf: a) Herstellen des Imprägnierharzes mittels al) Mischen des Füllstoffs mit dem Reaktivverdünner; a2) Mischen des Reaktivverdünners mit dem Basisharz; b) Durchtränken des Elektroisolationsbandes mit dem Imprägnierharz; c) Aushärten des Imprägnierharzes.

Indem der Füllstoff zuerst mit dem Reaktivverdünner gemischt wird, erfolgt eine zumindest teilweise Bedeckung der Oberflä- che der nanoskaligen Partikel mit dem Reaktivverdünner, so dass das Basisharz von den nanoskaligen Partikeln zumindest teilweise abgeschirmt wird, so dass die nanoskaligen Partikel die Polymerisierung des Basisharzes weniger stark beschleuni- gen. Somit ergibt sich vorteilhaft eine lange Lebensdauer des Imprägnierharzes trotz der Anwesenheit der nanoskaligen Partikel .

Es ist denkbar, dass der Reaktivverdünner während oder nach dem Imprägnieren ganz oder teilweise aus dem Imprägnierharz entfernt wird. Ebenfalls ist denkbar, dass der Reaktivverdünner in dem Imprägnierharz verbleibt und zusammen mit dem Imprägnierharz ausgehärtet wird. Das Verfahren zum Herstellen des Elektroisolationskörpers weist vorzugsweise den Schritt auf: a3) Einstellen der Viskosität des Imprägnierharzes durch Erhöhen der Viskosität mittels Zugabe eines Oligomers des Basisharzes oder eines Oligomers einer Komponente des Basisharzes, insbesondere ein Oli- gomer eines mindestens zwei Epoxidgruppen aufweisenden Epo- xids, insbesondere ein Oligomer von Bisphenol -A-diglycidy- lether und/oder ein Oligomer von Bisphenol-F-diglycidylether . Durch das Einstellen der Viskosität können vorteilhaft Tränkfehler beim Imprägnieren unterbunden werden und ein optimaler Massenanteil an Imprägnierharz in dem Elektroisolationskörper erreicht werden.

Anhand von zwei Beispielen wird im Folgenden die Erfindung näher erläutert .

In einem ersten Beispiel wird ein Imprägnierharz hergestellt, in dem zuerst eine Mischung aus Styrol als Reaktivverdünner und eines Füllstoffs hergestellt wird, der aus Partikeln aus Titandioxid mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 20 nm besteht. Anschließend wird die Mischung mit einem Basisharz bestehend aus einer stöchiometrischen Mischung aus Bisphenol - A-diglycidylether und Phthalsäureanhydrid gemischt. Dabei wird das Verhältnis m (Reaktivverdünner) / (m (Basisharz ) + m (Reaktivverdünner) ) = 0.4 gewählt und das Verhältnis

m (Füllstoff) / (m (Füllstoff) + m (Reaktivverdünner) + m(Basis- harz) ) = 0.05 bis 0.6 gewählt, wobei m (Basisharz ) , m(Reak- tivverdünner) und m (Füllstoff) jeweils die Massen des Basis- harzes, des Reaktivverdünners und des Füllstoffs in dem Imprägnierharz sind.

Ein elektrischer Leiter wird mit einem Glimmer aufweisenden Elektroisolationsband umwickelt. Das Elektroisolationsband weist Zn-Naphthenat als Reaktionsbeschleuniger für das Basisharz und Dibenzoylperoxid als Radikalstarter für den Reaktivverdünner auf. Das Elektroisolationsband wird von dem Imprägnierharz derart in einem „Resin-Rich-Verfahren" durchtränkt, dass das Verhältnis m (Imprägnierharz) / (m ( Imprägnierharz ) + m (Elektroisolationsband) ) = 0.5 beträgt, wobei m ( Imprägnierharz) und m (Elektroisolationsband) jeweils die Massen des Imprägnierharzes und des Elektroisolationsbandes sind. Durch eine Zufuhr von Wärme wird das Imprägnierharz ausgehärtet und ein Elektroisolationskörper fertig gestellt.

In einem zweiten Beispiel wird ein Imprägnierharz hergestellt, in dem zuerst eine Mischung aus Vinyltoluol als Reaktivverdünner und eines Füllstoffs hergestellt wird, der aus Partikeln aus Aluminiumoxid mit einem mittleren Partikel- durchmesser von 15 nm besteht. Anschließend wird die Mischung mit einem Basisharz bestehend aus einer stöchiometrischen Mischung aus Bisphenol-F-diglycidylether und Maleinsäureanhydrid gemischt. Dabei wird das Verhältnis m (Reaktivverdünner) / (m (Basisharz ) + m (Reaktivverdünner) ) = 0.6 gewählt und das Verhältnis m(Füllstoff) / (m (Füllstoff) + m (Reaktivverdünner) + m (Basisharz ) ) = 0.5 gewählt, wobei m (Basisharz ) , m (Reaktivverdünner) und m (Füllstoff) jeweils die Massen des Basisharzes, des Reaktivverdünners und des Füllstoffs in dem Imprägnierharz sind. Das Imprägnierharz weist weiterhin 1 Massenprozent Methylbicyclo [2.2.1] hept-5-en-2 , 3 -dicarboxylan- hydrid als Quervernetzer auf. Ein elektrischer Leiter wird mit einem Glimmer aufweisenden Elektroisolationsband umwickelt. Das Elektroisolationsband weist Zn-neodecanoat als Reaktionsbeschleuniger für das

Basisharz und Dicumylperoxid als Radikalstarter für den Reak- ti verdünner auf. Das Elektroisolationsband wird von dem Imprägnierharz derart in einem „Resin-Rich-Verfahren" durchtränkt, dass das Verhältnis m (Imprägnierharz) / (m (Imprägnierharz) + m (Elektroisolationsband) ) = 0.5 beträgt, wobei m ( Imprägnierharz ) und m (Elektroisolationsband) jeweils die Massen des Imprägnierharzes und des Elektroisolationsbandes sind. Durch eine Zufuhr von Wärme wird das Imprägnierharz ausgehärtet und ein Elektroisolationskörper fertig gestellt.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt, und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung z verlassen .