Isolierband für eine Spule und Wickelband-Isoliersystem für elektrische Maschinen

Die Erfindung betrifft ein Isolierband zur Isolation von Statorspulen in elektrischen Maschinen, insbesondere den Bandbeschleuniger im Bandkleber des Isolierbands, das für ein Wickelband-Isoliersystem eingesetzt wird.

Bei elektrischen Maschinen weisen der Stator und in manchen Fällen auch der Rotor Isoliersysteme mit Wicklungen auf. Dabei ist um einen Leiter oder ein Leiterbündel ein Isolierband gewickelt .

Das Isolierband umfasst ein auf einem flexiblen Träger wie Folie oder Glasgewebe aufgebrachtes, flächiges durchschlag ^¬ festes anorganisches Material wie Glimmerplättchen und/oder Feinglimmerschichten, das mit dem Träger und miteinander und gegebenenfalls mit einer abschließenden Decklage und oder ei ^¬ ner weiteren Lage mittels eines Bandklebers verbunden ist.

Dieser Bandkleber umfasst einen darin gelösten und/oder feinstverteilten Bandbeschleuniger. Der Bandbeschleuniger dient zur Gelierung eines dünnflüssigen Imprägnierharzes, das beispielsweise in einer Vakuum-Druck-Imprägnierung (VPI) auf die Ständerwicklungen aufgebracht wird. Nach dem Gelieren bei erhöhter Temperatur werden die imprägnierten Ständerwicklungen im Statorblechpaket thermisch gehärtet.

Ein derartiges Isolierband ist aus der DE 38 24 254 AI be ^¬ kannt. Aus der EP 0424376B1 sind entsprechende Bandkleber und Bandbeschleuniger bekannt, die eine ausreichende Lagerstabi ^¬ lität aufweisen.

Die darin offenbarten Bandkleber sind die 1 : 4-molaren Additi ^¬ onsprodukte aus Bisphenolen, insbesondere des Bisphenol-A, und cycloaliphatischen Epoxidharzen, insbesondere des 3,4- Epoxycyclohexylmethyl-3 , 4-Epoxycyclohexancarboxylats .

Dieses Bindemittel enthält in seiner theoretischen Molekül- struktur nach quantitativer Umsetzung vermutlich fast ausschließlich cycloaliphatische Oxiranfunktionalitäten neben den durch die Additionsreaktion ebenso geschaffenen Hydroxylgruppen. Weiterhin wird in der EP 0424376B1 offenbart, dass der dazugehörige Bandbeschleuniger bevorzugt ein 1:3- molares Addukt aus Trimethylolpropantriacrylat und N- Ethylpiperazin ist.

Der Bandbeschleuniger und/oder der Bandkleber im Glimmerbandverbund sind bevorzugt chemisch dergestalt ausgestattet, dass bei Lagerung unter Raumtemperatur keine vorzeitige und unge ^¬ wollte Härtung eintritt. Damit wird die Verarbeitbarkeit des Glimmerbandes gewährleistet. Nach erfolgter Imprägnierung der bandkleberhaltigen Statorspulen erfolgt sehr rasch die Gelierung des Epoxidharzes auf Glycidyletherbasis , da endständige Oxiranfunktionalitäten im Zusammenspiel mit Säureanhydriden sehr schneller Polymerisation unterliegen. Durch dieses chemisch abgestimmte Zusammenspiel lässt sich schlussendlich so ^¬ wohl die gewünschte Lagerstabilität des nicht-imprägnierten Glimmerbandes als auch die rasche Gelierung des imprägnierten Stators realisieren.

Wegen der toxischen Bedenken gegen die uneingeschränkte Verwendung von Phthalsäureanhydrid werden in Zukunft

phthalsäureanhydridfreie oder überhaupt anhydridfreie VPI- Harze auf Epoxidbasis Verwendung finden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Isolierband und insbesondere einen Bandbeschleuniger für ein Isolierband zur Verfügung zu stellen, der in anhydridfreien VPI- Harzen einsetzbar ist. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Isoliersystem, eine Spule und eine elektrische Maschine mit einem Isolierband anzugeben, das mit einem Anhydrid ^¬ freien Harz imprägniert ist. Lösung der Aufgabe und Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Isolierband mit einem Bandkleber, in dem zumindest ein Bandbeschleuniger gelöst und/oder feinstverteilt enthalten ist, wobei der zumindest eine Bandbeschleuniger ein Imidazol und/oder ein Pyrazol und/oder ein Derivat eines Imidazols und/oder ein Derivat eines Pyrazols ist.

Als Derivat wird vorliegend ein chemisches Derivat bezeich- net, also ein abgeleiteter Stoff oder eine abgeleitete Ver ^¬ bindung, die sich aus der Stammverbindung, also beispielsweise Imidazol und/oder Pyrazol, durch Substitution eines oder mehrerer Wasserstoffatome herstellen lässt. Die Substitution kann dabei auf vielen verschiedenen chemischen Wegen erfolgen.

Insbesondere ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Isolierband mit einem Bandkleber, in dem ein Bandbeschleuni- ger gelöst und/oder feinstverteilt enthalten ist, der ein Addukt zumindest eines Imidazols und/oder zumindest eines Pyrazols mit zumindest einem Acrylat und/oder ein Addukt ei ^¬ nes oder mehrerer Imidazolderivats (e) und/oder eines oder mehrerer Pyrazolderivats (e) mit einem oder mehreren

Acrylatderivat (e) ist. Dabei können beliebige Kombinationen von Derivaten und Stammverbindungen das Addukt bilden. Das Addukt selbst ist ebenfalls durch Derivatisierung entstanden, ist also selbst auch wieder ein Derivat. Nach einer weiteren Ausführungsform ist der Heterozyklus ein bevorzugt bei relativ niedrigen Temperaturen schmelzender und/oder bei Raumtemperatur flüssiger ΙΗ-Stickstoff- heterozyklus mit 1 bis 4 Stickstoffatomen im Ring. Insbesondere wird ein einfach substituiertes Alkyl-

/Acylimidazol eingesetzt. Beispielsweise können Imidazole wie das ΙΗ-2-Methylimidazol (CAS-Nr. 693-98-1) oder das 1H- Imidazol (CAS-Nr. 288-32-4), das ΙΗ-2-Ethylimidazol (CAS-Nr. 1072-62-4), ΙΗ-2-Propylimidazol (CAS-Nr. 50995-95-4), 1H-2- iso-Propylimidazol (CAS-Nr. 36947-68-9), ΙΗ-2-Butylimidazol (CAS-Nr. 50790-93-7), ΙΗ-2-iso-Butylimidazol (CAS-Nr. 61491- 92-7), ΙΗ-2-tert-Butylimidazol (CAS-Nr. 36947-69-0), 1H-4- tert-Butylimidazol (CAS-Nr. 21149-98-4), 1Η-4(5)- Methylimidazol (CAS-Nr. 822-36-6), lH-2-Ethyl-4- Methylimidazol (CAS-Nr. 931-36-2), lH-4-Methyl-2- Phenylimidazol (CAS-Nr. 827-43-0), ΙΗ-4-Phenylimidazol (CAS- Nr. 670-95-1), lH-5-Methyl-2-Phenylimidazol-4-methanol (CAS ^¬ Nr. 13682-32-1), ΙΗ-2-Phenylimidazol (CAS-Nr. 670-96-2), 1H- 3-Phenylpyrazol (CAS-Nr. 2458-26-6), ΙΗ-5-Methylpyrazol (kei ^¬ ne CAS-Nr.), 1H-3, 4 -Dimethylpyrazol (CAS-Nr. 2820-37-3), 1H- 3-tert-Butylpyrazol (CAS-Nr. 15802-80-9), ΙΗ-4-Ethylpyrazol (CAS-Nr. 17072-38-7) . aber auch das lH-Pyrazol (CAS-Nr. 288- 3-1) und/oder das 1H-3 , 5-Dimethylpyrazol (CAS-Nr. 67-51-6) hier eingesetzt werden.

Nach dem Stand der Technik, insbesondere den

phthalsäureanhydridhaltigen Imprägnierharzen, wie sie aus der EP 0424376 Bl bekannt sind, werden als Bandkleber die 1:4- molaren Additionsprodukte aus Bisphenolen, insbesondere des Bisphenol-A, und cycloaliphatischen Epoxidharzen, insbesondere des 3, 4-Epoxycyclohexylmethyl-3, 4-

Epoxycyclohexancarboxylats , offenbart. Der dort beschriebene Bandkleber enthält in seiner theoretischen Molekülstruktur nach quantitativer Umsetzung nur cycloaliphatische

Oxiranfunktionalitäten neben den durch die Additionsreaktion ebenso geschaffenen Hydroxylgruppen. Weiterhin liest man o.g. Patentschrift, dass der dazugehörige Bandbeschleuniger bevor- zugt ein 1 : 3-molares Additionsprodukt aus

Trimethylolpropantriacrylat und N-Ethylpiperazin ist. Das Ad ^¬ ditionsprodukt enthält demnach durch die zugrundeliegende Aza-Michael-Reaktion theoretisch drei endständige, tertiär substituierte Piperazinstickstoffatome .

So produziert beispielsweise ein phthalsäureanhydrid- und zu ^¬ dem bindemittelfreier Bisphenol-F-Diglycidylether, der mit 3 Gew.-% des Piperazin-Bandbeschleunigers geliert und für zehn Stunden bei 145°C anionisch-polymerisierend gehärtet wird, lediglich einen Glasübergang von ca. 90°C, wohingegen das Standardmäßig bislang eingesetzte phthalsäureanhydridhaltige Micalasticharz mit Bindemittel und Bandbeschleuniger bei identischer Härtung einen Glasübergang von ca. 160°C ausbildet .

Verwendet man dagegen beispielsweise 2 Gew.-% 1,2- Dimethylimidazol als Gelier- und Härtungsbeschleuniger für ein phthalsäureanhydridfreies Imprägnierharz auf Epoxidharz ^¬ basis, z.B. destilliertem Bisphenol-F-Diglycidylether, so stellt sich im bindemittelhaltigen Falle ein Glasübergang von 134°C, im bindemittelfreien Falle gar ein Glasübergang von 150°C ein. Dies zeigt die Überlegenheit der Imidazole als Ge- lier- und Härtungskatalysator für phthalsäureanhydridfreie Epoxidharze im Gegensatz zu den N-alkylsubstituierten

Piperazinderivaten des Trimethylolpropantriacrylats .

Im Vergleich zur EP 0424376 Bl, also zum 1 : 3-molaren Additi- onsprodukt aus Trimethylolpropantriacrylat („TMPTA") und N- Ethylpiperazin sind die hier erstmals in der Technik als Bandbeschleuniger vorgestellten Additionsprodukte aus

Triacrylaten, insbesondere jedoch auch aus den Tetra- und Penta-/Hexaacrylaten, mit ΙΗ-2-Methylimidazol, 1H-2- Ethylimidazol , ΙΗ-2-Propylimidazol, ΙΗ-2-iso-Propylimidazol, ΙΗ-2-Butylimidazol, ΙΗ-2-iso-Butylimidazol, 1H-2- Phenylimidazol und lH-2-Ethyl-4-Methylimidazol besonders in ^¬ teressante Verbindungen als Bandbeschleuniger, denn a) die durch anionische Polymerisation erreichbaren Glasübergangstemperaturen

mit phthalsäureanhydridfreien Imprägnierharzen auf

Diglycidyletherbasis sind sehr viel höher als bei Ver ^¬ wendung der N-Methylpiperazin- und N- Ethylpiperazinaddukte des TMPTAs b) nicht acide Alkyl-/Acylimidazole gelieren und härten

phthalsäureanhydridfreie Imprägnierharze mit geringeren Gehalten als ein N-Alkylpiperazin-TMPTA- Addukt (Alkyl = Methyl, Ethyl) das Additionsprodukt aus ΙΗ-2-Methylimidazol , 1H-2- Ethylimidazol , ΙΗ-2-iso-Propylimidazol, 1H-2- Propylimidazol und lH-2-Ethyl-4-Methylimidazol mit TMPTA ist günstiger in den Rohstoffpreisen als das Additionsprodukt des TMPTA mit N-Ethylpiperazin . l-Methyl-2-Alkylimidazole sind per se nicht vakuumstabil und schon bei Raumtemperatur sehr dünnflüssige Liquide; sie können daher sehr leicht im Vakuum bei erhöhter Temperatur während der Evakuier- und Vortrocknungsphase der zu imprägnie ^¬ renden Statoren aus dem Isolierbandkleber migrieren. Deshalb sind die mit Acrylaten derivatisierten Imidazole ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Durch die kovalente Anbindung der ΙΗ-2-Alkylimidazole an der ΙΗ-Position, insbesondere des ΙΗ-2-Methylimidazols, 1H-2- Ethylimidazols , ΙΗ-2-Propylimidazols, lH-iso-Propylimidazols , lH-2-Ethyl-4-Methylimidazols, ΙΗ-2-Butylimidazols, ΙΗ-2-iso- Butylimidazols und ΙΗ-2-tert-Butylimidazols, an das bisher verwendete TMPTA, beispielsweise via einer Aza-Michael- Kopplung, ist es möglich, das für phthalsäureanhydridfreie Epoxidharze ungeeignete N-Ethylpiperazinderivat des TMPTAs gegen eine für diese Imprägnierharzklasse nunmehr geeignete Alkylimidazol-TMPTA-Variante zu substituieren. In zahlreichen Versuchen hat sich gezeigt, dass z.B. 1 , 2-Dimethylimidazol mit 2 Gew.-% bezogen, auf das phthalsäureanhydridfreie Epo- xidharz, hohe Glasübergänge von bis zu 150°C bei sonst iden ^¬ tischen Härtungsszenarien liefert.

Dem gegenüber produziert der N-Ethylpiperizm-haltige Bandbe ^¬ schleuniger nur etwa 90°C als Glasübergang in

phthalsäureanhydridfreien Glycidyletherepoxidharzen . Aufgrund des hohen Dampfdruckes der 2-Alkylimidazole und der hohen Fluidität ist jedoch ein Dispergieren kleiner Imidazol- Moleküle und/oder Imidazol-Derivate in den Bandkleber mit der späteren Gefahr verbunden, dass die Evakuierphase (70°C, 0.1 mbar für bis zu 72 Stunden) zu einem Abdampfen bzw. Migrieren des flüchtigen Alkylimidazols führt und dieses sich an kälte ^¬ ren Stellen anreichert.

Dem wird durch Derivatisierung mit Acrylat, also durch die kovalente Anbindung der lH-Alkylimidazole an ein Acrylat, wie beispielsweise das TMPTA-Molekül , entgegengetreten. Dabei er ^¬ folgt eine drastische Verzähung durch Aufbau eines Bandbe- Schleunigermoleküls. Dadurch wird eine Migration aus dem Bandkleber wirkungsvoll retardiert.

Insbesondere die Addukte des ΙΗ-2-Methylimidazols, 1H-2- Ethylimidazols , ΙΗ-2-Propylimidazols, ΙΗ-2-iso- Propylimidazols sowie ΙΗ-2-Butylimidazols bzw. verzweigten ΙΗ-2-iso-Butylimidazols und ΙΗ-2-tert-Butylimidazols mit Acrylaten führt zu einer Kostenersparnis in der Endstruktur als auch einer Erhöhung der Netzwerkdichte durch die strukturbedingte Zahl der Polymerisationsinitiatoren bei Verwen- dung höherer Acrylate wie PETA und DPHA.

Ein Vergleich mit dem Piperizin-haltigem Beschleuniger, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, wird hier nochmal tabellarisch gezeigt. Die erste Zeile enthält die Referenz- probe mit dem Beschleuniger gemäß der EP 0424376B1.

Tabelle 1

* die für eine Polymerisationsinitiierung zur Verfügung stehenden Zentren

In Bezug auf den klassischen VPI-Imprägnierprozess sind die Dampfdrücke der Alkyl-Imidazole bei erhöhten Temperaturen et ^¬ was nachteilig, insbesondere ist der Dampfdruck der vorteil- haften l-Alkyl-2-Methylimidazole relativ hoch, sodass während langanhaltender Evakuierphasen bei erhöhten Temperaturen, wie sie bei der Herstellung von elektrischen Maschinen vor der VPI-Imprägnierung der Statoren etwa zur Vortrocknung heutzutage teilweise angewendet werden, ein teilweises Austreiben etwaig verwendeter Imidazole aus dem Bandkleber zu befürchten ist .

Bei anderen Imprägnierverfahren haben sich die Alkyl- Imidazole, also generell die kleineren und daher in der Regel bei erhöhten Temperaturen flüchtigen, Imidazol-Derivate jedoch als sehr effiziente Bandbeschleuniger erwiesen.

Mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, einem Bandbe ^¬ schleuniger, der ein Addukt eines lH-Imidazolderivats

und/oder eines ΙΗ-Pyrazolderivates mit einem Acrylat ist, ge ^¬ lingt es, einen Bandbeschleuniger in bindemittelhaltigen Glimmerpapieren zu schaffen, der derart modifizierbar ist, dass er vakuumstabil bei Temperaturen von 50-80°C wird. Bei ^¬ spielsweise zeigt ein derartiger Bandkleber einen Dampfdruck geringer als 10 ^~4 mbar bei 70°C, sowie eine hohe dynamische Viskosität .

Dazu werden die lH-Alkyl-Imidazole und/oder die 1H-Alkyl- Pyrazole beispielsweise mit Acrylaten derivatisiert .

Nach einer Ausführungsform ist das Acrylat ein bei Raumtemperatur flüssiges Acrylat wie beispielsweise

Trimethylolpropantriacrylat (TMPTA, CAS-Nr. 15625-89-5), Trimethylolpropanpropoxylattriacrylat (kein Synonym, CAS-Nr. 53879-54-2),

Pentaerythritoltetraacrylat (PETA, CAS-Nr. 4986-89-4) und/oder Dipentaerythritolpentacrylat/Dipentaerythritolhexacrylat (technische DPHA-Mischung, CAS-Nr. 60506-81-2) .

Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsbeispiele der Derivate in Strukturformeln dargestellt.

Folgende Addukte sind beispielhafte Ausführungsformen eines Bandbeschleunigers gemäß der Erfindung:

(I)

Die hier gezeigte Strukturformel I stellt ein Ausführungsbei- spiel eines Bandbeschleunigers gemäß der Erfindung dar und ist ein mögliches Addukt aus TMPTA und einem oder mehreren lH-Imidazol-derivat (en) ; beispielsweise mit R gleich oder un ^¬ gleich und

R = H, Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, iso- Butyl, tert-Butyl, Phenyl und/oder mono-, di-, tri-, tetra-, pentasubstituiertes Phenyl sein kann, wobei die Substituenten am Phenylrest wieder gleich oder ungleich und ausgewählt aus der folgenden Gruppe sein können: Rp _h enyi = Alkyl (linear und verzweigt) , Alkoxy, -F, -Cl, -Br, -J, Aldehyd, Keton, Säure- ester, Säureamid, Phosphonsäurederivat und/oder

Sulfonsäurederivat

Die hier gezeigte Strukturformel II stellt ein weiteres Aus ^¬ führungsbeispiel eines Bandbeschleunigers gemäß der Erfindung dar und ist ein mögliches Addukt aus

Trimethylolpropanpropoxylattriacrylat und lH-Imidazol- derivaten; beispielsweise mit R gleich oder ungleich und

R = H, Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, iso-

Butyl, tert-Butyl, Phenyl und/oder mono-, di-, tri-, tetra-, pentasubstituiertes Phenyl sein kann, wobei die Substituenten am Phenylrest wieder gleich oder ungleich und ausgewählt aus der folgenden Gruppe sein können: R _pheny i = Alkyl (linear und verzweigt) , Alkoxy, -F, -Cl, -Br, -J, Aldehyd, Keton, Säure ^¬ ester, Säureamid, Phosphonsäurederivat und/oder

Sulfonsäurederivat

( III )

Die hier gezeigte Strukturformel III stellt ein wieder ande ^¬ res Ausführungsbeispiel eines Bandbeschleunigers gemäß der Erfindung dar und ist ein mögliches Addukt aus

Pentaerythritoltetraacrylat (PETA) und lH-Imidazol-derivaten; beispielsweise mit

R gleich oder ungleich und

R = H, Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, iso- Butyl, tert-Butyl, Phenyl und/oder mono-, di-, tri-, tetra-, pentasubstituiertes Phenyl sein kann, wobei die Substituenten am Phenylrest wieder gleich oder ungleich und ausgewählt aus der folgenden Gruppe sein können: R _pheny i = Alkyl (linear und verzweigt) , Alkoxy, -F, -Cl, -Br, -J, Aldehyd, Keton, Säure ^¬ ester, Säureamid, Phosphonsäurederivat und/oder

Sulfonsäurederivat .

R.2 = H oder

Die hier gezeigte Strukturformel IV stellt noch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Bandbeschleunigers gemäß der Erfin ^¬ dung dar und ist ein mögliches Addukt aus

Dipentaerythritolpenta-/hexacrylat (DPHA) und lH-Imidazol- derivaten; beispielsweise mit R gleich oder ungleich und

R = H, Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, iso- Butyl, tert-Butyl, Phenyl und/oder mono-, di-, tri-, tetra-, pentasubstituiertes Phenyl sein kann, wobei die Substituenten am Phenylrest wieder gleich oder ungleich und ausgewählt aus der folgenden Gruppe sein können: Rp _h enyi = Alkyl (linear und verzweigt) , Alkoxy, F, Cl, Br, J, Aldehyd, Keton, Säureester, Säureamid, Phosphonsäurederivat und/oder Sulfonsäurederivat Und R2 wie oben angegeben.

Hier konnte gezeigt werden, dass Imidazole und/oder Pyrazole sehr effektive Gelier- und Härtersubstanzen für

phthalsäurefreie Epoxidharze auf Bisphenol-A- und/oder

Bisphenol-F-diglycidyletherbasis sind .

Geeignete Bandkleber sind kommerziell erhältlich und bei ^¬ spielsweise auf Silikonelastomer-Basis. Die Erfindung betrifft ein Isolierband zur Isolation von Statorspulen in elektrischen Maschinen, insbesondere den Bandbeschleuniger im Bandkleber des Isolierbands. Die bisher bekannten Bandbeschleuniger auf N-Ethylpiperazin-Basis werden hier durch neue und bessere Verbindungen ersetzt. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung eines Imidazols und/oder eines Pyrazols und/oder eines Imidazol- und/oder Pyrazol-derivats als Gelier- und/oder Härtersubstanz für phthalsäurefreie Epoxidharze auf Bisphenol-A- und/oder

Bisphenol-F-diglycidyletherbasis .

Die Erfindung betrifft ein Isolierband zur Isolation von Statorspulen in elektrischen Maschinen, insbesondere den Bandbeschleuniger im Bandkleber des Isolierbands, das für ein Wickelband-Isoliersystem eingesetzt wird. Die bisher bekannten Bandbeschleuniger auf N-Ethylpiperazin-Basis werden hier durch Imidazol- und/oder Pyrazol-Verbindungen ersetzt. Durch weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung findet zudem eine Ausweitung der Verwendung der für diese Technik neu gefunde- nen Imidazol- und/oder Pyrazol-Verbindungen als Gelier- und/oder Härtungsmittel allgemein in Epoxidharzen auf

Bisphenol-A- und/oder Bisphenol-F-diglycidyletherbasis statt, insbesondere den phthalsäurefreien Spezien davon.