Wärmeausdehnungs-angepasste Isolation für Statorleiter von rotieren- den elektrischen Maschinen Technisches Gebiet Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Isolation von elektrischen Ma- schinen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine wärmeausdeh- nungs-angepasste Isolation für Statorleiter von rotierenden elektrischen Ma- schinen.

Stand der Technik Herkömmlich werden auf dem Gebiet der Isolation von Statorleitern von elek- trischen Maschinen verschiedene Verfahren verwendet.

Bei einem Verfahren werden Bänder bestehend aus einem Glasfaserträger und Glimmerpapier auf einen Statorleiter lagenförmig spiralig aufgewickelt, bis eine gewünschte Isolationsdicke erreicht ist. Durch eine anschliessende Im- prägnierung in Epoxyharz wird verbleibende Luft aus dem so entstandenen Isolationswickel verdrängt und die Bandlagen werden verklebt. Durch Aus- härtung in einer geeigneten Form erhält die Isolation ihre Endform. Herstel- lungsbedingt sind die Glimmerplättchen bei diesem Verfahren in Bandrichtung ausgerichtet, so dass daraus in der fertigen Isolation eine Ausrichtung der Glimmerplättchen parallel zur Leiteroberflãche resultiert.

Gemäss eines weiteren aus der EP 0 660 336 A2 bekannten Verfahrens wer- den Statorleiter mit Bändern bestehend aus thermoplastischem Kunststoff, gefüllt mit Glimmer, bewickelt. Eine Verfestigung und Formung erfolgt hier durch Heisspressen des bewickelten Statorieiters, wobei es zu Luftverdrän- gung, Aufschmeizen des Thermoplasts und Verklebung der Wickellagen kommt. Auch bei diesem Verfahren sind die Glimmerplättchen parallel zur Leiteroberfläche ausgerichtet.

Schliesslich kann eine Isolation des Statorleiters auch durch eine Extrusion mit Thermoplasten ohne Füllstoffe, d. h. auch ohne Glimmer, wie im US-Patent 5 650 031 beschrieben, erfolgen.

Eine wärmeausdehnungs-angepasste Isolation ist bisher lediglich auf dem Gebiet der auch die Einkapselung von Elektronik-Bauelementen bzw. Verfah- ren, um eine möglichst geringe thermische Ausdehnung dieser Kunststoffge- häuse zu erzielen, bekannt.

Beispielsweise ist aus der JP-A-41 83 711 ist eine Herstellung einer Halblei- terkapselung basierend hauptsächlich auf Epoxidharzen und anorganischen Füllern bekannt, wobei unter anderem auch Quarzglas verwendet wird. Vor- teile dieser Halbleiterkapselung sind Schockresistenz und geringe Rissgefahr bei thermischer Belastung, wie beispielsweise Löten, da ein geringer oder kein Unterschied in der thermischen Ausdehnung zwischen Halbleiterbauteil und einem Plastikgehäuse der Halbleiterkapselung vorliegt. Dies wird durch eine Verringerung des Ausdehungskoeffizienten des Polymers durch Zumi- schen von anorganischen Füllstoffen mit niedrigen Ausdehnungskoeffizienten erreicht. Ähnliche Herstellungen einer Halbleiterkapselung, bei denen zusätz- lich Polyester, Polyimid, Polyphenol, Silikonharz, usw. vervvendet werden, sind auch aus der JP-A-61 026 249, der JP-A-59 168 043 und der JP-A-59 084 937 bekannt. Als Füller wird dabei ausschliesslich gerundetes Quarzglas verwendet.

Zudem offenbaren die JP-A-7 011 105, die JP-A-5 132 609 und die JP-A-61 188 465 weitere Herstellungsverfahren für eine Halbleiterkapselung, wobei zusätzlich ein thermoplastischer Weichmacher im Prozentbereich hinzugege- ben wird. Die JP-A-60 084 361 beschreibt weiterhin, wie durch Kombination von gerundeten Quarzglaskörnern mit Füllstoffen hoher Wärmeleitung (Al203 oder BN) sowohl der Ausdehnungskoeffizient als auch die Wärmeleitfähigkeit von Kunstharzen optimiert werden kann. Dabei werden Epoxydharz und Phe- nolharz fälschlicherweise als Thermoplaste bezeichnet.

Schliesslich offenbaren die UK-A-2 244 174, die JP-A-7 118 542, die JP-A-1 248 546 und die JP-A-62 158 754 Mischungen von Polymeren mit Quarz- glasfüllstoff für die Einkapseluny elektronischer Bauteile, wobei die Polymere ausschliesslich Thermoplaste sind. Als Thermoplaste werden genannt : Poly- phenylensulfid (PPS), Polybuthylenterephtalat (PBT) und Flüssigkristall- Polymere. Bei der UK-A-2 244 174 sind die Füllstoffpartikel zudem mit einem Elastomer zu Flexibilisierung überzogen, während die JP-A-62 158 754 als zweiten Füllstoff ein Material mit faseriger Beschaffenheit zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften verwendet.

Nunmehr sind die zu isolierenden Leiter von rotierenden elektrischen Maschi- nen meist recht komplex geformte Gebilde in der Form von Stäben oder Spu- len. Ein gerader Teil der Leiter befindet sich in den Nuten des Stators der Ma- schine. Ein gebogener Teil bildet nach entsprechender Verbindung mit be- nachbarten Stäben und Spulen einen Wickelkopf, welcher an beiden Enden aus dem Stator herausragt. Die Länge des geraden Teils kann bei grossen rotierenden Maschinen 6m überschreiten. Problematisch ist bisher, dass Iso- lation und Leiter überlicherweise unterschiedliche thermische Ausdehnungs- koeffizienten a aufweisen.

Der Ausdehnungskoeffizient eines Kupferleiters beträgt a = 16.5 ppm/K, der von Glasgewebe/Glimmer/Epoxy-isolation in Richtung des Glasgewebes a t, 10 ppm/K ; es resultiert also ein Unterschied im Ausdehnungskoeffizienten Aa = 6,5 ppm/K. Bei Maschinen kleiner Abmessungen führt die thermische Zy- klierung, welche bei Betrieb der Maschine immer auftritt,"nur"zu Spannungen in der Isolation. Bei grösseren Maschinen jedoch können sich Spannungen derart summieren, dass es zu einer Lösung der Haftung zwischen Leiter und Isolation kommen kann. Dadurch können bevorzugt am Übergang zwischen geradem und gebogenem Teil des Leiters Hohiräume auftreten, in denen bei Betrieb elektrische Entladungen stattfinden. Derartigen Entladungen sind be- kannt als Schädigungsmechanismus der Isolation.

Bei Isolierungen bestehend aus reinem Thermoplast, wie beispielsweise im US-Patent 5 660 031 beschrieben werden, sind diese Effekte noch wesentlich stärker : Zum einen weicht der Ausdehnungskoeffizient von Thermoplasten noch deutlich mehr von dem des Kupfers ab als bei der Glasgewe- be/Glimmer/Epoxy-Isolation, wie in Tabelle 1 für gängige Thermoplaste ange- geben (aus dem Katalog der Fa LNP Engeneering Plastics, Niederlande). Polymer PPS PES PEEK PC PEI a (ppm/K) 70 55 70 67 I 60 Tabelle 1 Zum anderen ist die Auswirkung dieser Fehlanpassung bei einer Isolation von Leitern von rotierenden Maschinen wesentlich gefährlicher : Die Langzeit- Resistenz der Isolation gegenüber inneren elektrischen Entladungen ist in rei- nen Polymeren bedeutend schlechter als in glimmergefüllten. Hinzu kommt, dass neben einer Hohlraumbildung an der Grenzfläche Leiter-Isolation zu befürchten ist, dass die unverstärkte Isolation beim Abkühlen Schrumpfungs- risse in radialer Richtung bekommt, wodurch sie sofort unbrauchbar wird.

Darstellung der Erfindung) Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Isolation für Statorleiter von rotierenden elektrischen Maschinen derart weiterzubilden, dass die vor- stehend beschriebenen Probleme bei der Verwendung von Thermoplasten nicht mehr auftreten, d. h. der Ausdehnungskoeffizient des Thermoplastmate- rials soll derart abgeändert werden, dass die Fehlanpassung im Ausdeh- nungskoeffizienten möglichst klein wird.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe gelöst durch die im Anspruch 1 ange- gebenen Merkmale. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildun- gen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Dadurch wird eine wärmeausdehnungs-angepasste Isolation für Statorleiter verwirklicht, bei der es weder zu Hohlraumbildung an der Grenzfläche Leiter- Isolation noch zu Schrumpfungsrissen kommt. Zudem können die Herstel- lungskosten durch Massenproduktion und Zeitersparnis gesenkt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert.

Es zeigen : Fig. 1 den Verlauf des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) in Abhängig- keit vom Füligrad an Alkaliglas und Fig. 2 den Temperaturverlauf des thermischen Ausdehnungskoeffizienten für gefülltes Polyethersulphon.

Weg zur Ausführung der Erfindung Thermoplastische Werkstoffe besitzen gegenüber der herkömmlich für die Isolation verwendeten Werkstoffkombination Glasgewebe/Glimmer/Epoxy grosse Vorteile in der Fertigungstechnik. Ausserdem ist der herkömmliche Wickel-und Imprägnierprozess für Leiter von rotierenden elektrischen Ma- schinen verglichen mit modernen Thermoplastfertigungsverfahren wie Extru- sion, Spritzgiessen oder Pulverbeschichten sehr zeitaufwendig.

Daher ist die vorliegende Erfindung darauf gerichtet, anstelle der herkömmli- chen Werkstoffkombination zum Isolieren von Leitern thermoplastische Werk- stoffe zu verwenden.

Hierfür kommen zunächst prinzipiell alle Thermoplaste in Frage, die den An- forderungen an die Temperaturbeanspruchung in rotierenden elektrischen Maschinen genügen, die alle mindestens die Anforderungen von Klasse F

(TmaX = 155°) erfüllen. Diese sogenannten Hochtemperaturthermoplaste sind jedoch recht spröde. Ausserdem ist es nachteilig, dass die thermischen Aus- dehnungskoeffizienten von Thermoplasten deutlich höher als der von Kupfer (Cu) mit a = 16.5 ppm/K. Sprödigkeit und Fehlanpassung der Ausdehnungs- koeffizienten führen bei Temperaturwechsel zu mechanischen Differenzspan- nungen zwischen Leiter und Isolation, wodurch es zu Rissen in der Isolation oder zu Hohlraumbildungen zwischen Leiter und Isolation kommen kann.

Daher war es Ziel der vorliegenden Erfindung, den Ausdehnungskoeffizienten des Thermoplastmaterials durch Zugabe von Füllstoffen in geeigneter Art und Konzentration derart abzuändern, dass die Fehlanpassung im Ausdehnungs- koeffizienten a zwischen Isolation und Leiter möglichst klein wird, vorzugs- weise weniger als halb so viel wie beim derzeit verwendeten System Mica- dur/Kupfer, d. h. weniger als 3-4 ppm/K.

Zudem sollte diese Abänderung des Ausdehnungskoeffizienten universell an- wendbar sein. Im herkömmlichen Verfahren, wie in der EP 0 660 336 A2 of- fenbart, wird der Ausdehnungskoeffizient parallel zur Staboberfläche bei guter Ausrichtung der Glimmerplättchen zwar auf die geforderten Werte reduziert, bei schlechter oder wilikürlicher Ausrichtung jedoch nicht. Fertigungsverfah- ren, welche nicht zwangsläufig zu einer Plättchenorientierung führen, werden daher bei einer Verwendung von Thermoplast/Glimmer-Mischungen nicht die erforderlichen a-Werte erreichen. Mit den herkömmlichen Verfahren lässt sich diese Ausrichtung normalerweise gar nicht, bestenfalls nur mit erheblichem konstruktiven Aufwand erreichen. Glimmerzugabe scheidet somit als generell anwendbare Lösung aus.

Somit war das Problem der Anpassung von Ausdehnungskoeffizienten zwi- schen Metallen und Kunststoffen, das auch auf anderen technischen Gebie- ten auftritt, wie z. B. dem vorstehend erläuterten Gebiet des Einkapselns von Halbleiter-Bauelementen, zu lösen.

Da es prinzipiell nicht möglich ist, den Ausdehnungskoeffizienten von Kupfer (Cu) in geeignetem MassE zu erhöhen, war des Ziel, den Ausdehnungskoeffi- zienten des Polymers zu verringern. Dies geschieht am einfachsten durch Beimischen von anorganischen Füllstoffen. Eine Auswahl gängiger Füllstoffe und ihrer Ausdehnungskoeffizienten gibt Tabelle 2 (Y. S. Touloukian,"Ther- mophysical Properties of Matter", Vol. 13, Plenum Press, New York-Chicago). Material kristall. Alkaliglas Aluminium-Wollasto-Quarzglas Quarz* oxid* nit* a (ppm/K) 11 10 12 3-6 0. 5 * über unterschiedliche Richtungen im Kristall gemittelte Werte Tabelle 2 Die bei weitem üblichsten Füllstoffe sind Quarz und Alkaliglas. Eine Mi- schungsreihe Polysulfon oder Polyethersulfon mit Glas ergab, dass das Ziel 16.5 ppm/K nicht mit Füligraden erreichbar ist, welche mit konventionellen Thermoplastverarbeitungsmethoden (Extrusion, Spritzgiessen) problemlos verarbeitbar sind, d. h. maximal ca. 60%w/w Füllstoff. Höhere Füllgrade wür- den auch die mechanischen Eigenschaften unzulässig beeinflussen (Sprödig- keit). Bei der Beschichtung eines Kupferstabes mit PSU/30% Glasfaserfüllung (a = 42 ppm/K) mittels thermischen Spritzens wurden radiale Risse beobach- tet, was zeigt, dass ein Thermoplast mit diesem Ausdehnungskoeffizienten ungeeignet ist für Isolationsauftrag auf Stäbe. Für Quarz und Aluminiumoxid (a etwa ähnlich wie Alkaliglas) mit Füllgraden s60% ist das Ziel ebenfalls nicht erreichbar. Somit ergibt sich, dass lediglich die prinzipielle Idee einer Verwen- dung von anorganischen Füllstoffen verwendbar ist.

Es ergab sich aus entsprechenden Versuchen, dass eine Füllung von Polye- thersulphon mit Quarzglas oder Wollastonit das gewünschte Ziel erreicht. Wie in Fig. 2 dargestellt, sinkt bei einer derartigen Füllung von Polyethersulphon mit Quarzglas oder Wollastonit der Ausdehnungskoeffizient in den entspre- chenden 60% Mischungen auf 19 ppm/K für T < 100°C.

Fig. 1 ist eine Darstellung des Verlaufs des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) in Abhängigkeit von dem Füllgrad an Alkaliglas (Gewicht%). In dieser Darstellung stellt die obere Kurve den Verlauf für PSU (Polysulfon) und die untere Kurve den Verlauf für PES (Polyethersulfon) dar. Der niedriger Ge- samtwert des Wärmeausdehnungskoeffizienten bei Verwendung von Polye- thersulfon bei gleichem Prozentsatz an Füller rührt von dem niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten der Polymermatrix her (PES : 55 ppm/K ; PSU : 59ppm/K). Durch lineare Extrapolation zu höheren Füllgraden wird er- sichtlich, dass der Zielwert von 17 bis 20 ppm/K für den Wäremeausdeh- nungskoeffizienten des Gesamtisolation erst bei Füligraden jenseits 70% er- reichbar wäre. Derartige Füllgrade sind technisch sehr schwierig zu realise- ren, da die Polymerschmelze oberhalb ca. 65% Füllung mit Fasern einen drastischen Viskositätsanstieg aufweist (was bedeutet, dass die Verarbeitung unmöglich wird). Zudem steigt die Sprödigkeit stark an.

Weiterhin zeigt Fig. 2 den Temperaturverlauf des thermischen Ausdehnungs- koeffizienten (CTE) für gefülltes PES (Polyethersulfon) mit einem Füligrad von 60% w/w. Es sind die Verläufe sowohl für Wollastonit als auch für Quarzglas als Füllstoff dargestellt. Infolge der niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizien- ten-Werte dieser Füller ist der gewünschte Gesamt- Wärmeausdehnungskoeffizient< erreichbar.