Твердый изоляционный материал, его применение и изготовленная тем самым система изоляции
Изобретение относится к твердому, в частности ленточному, изоляционному материалу, его применению в способе вакуумного импрегнирования и к изготовленной этим путем системе изоляции, а также к электрической машине с системой изоляции. Твердый изоляционный материал включает подложку, барьерный материал, катализатор отверждения и клей липкой ленты. Катализатор отверждения и клей липкой ленты являются инертными относительно друг друга, но в условиях вакуумного импрегнирования активируются, взаимодействуя с безангидридным пропиточным составом при продолжительностях гелеобразования от 1 часа до 15 часов при температуре импрегнирования. Клей липкой ленты не содержит оксирановые группы. Клей липкой ленты имеет по меньшей мере две свободные гидроксильные группы, то есть, например, представляет собой диол, триол и/или полиол. Изобретение позволяет исключить использование аллергизирующего дыхательные пути ангидрида фталевой кислоты. 3 н. и 16 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к твердому, в частности, ленточному, изоляционному материалу, его применению в способе вакуумного импрегнирования, и к изготовленной тем самым системе изоляции, а также к электрической машине с системой изоляции, в частности, для диапазона среднего и высокого напряжения, а именно, для средне- и высоковольтных машин, в частности, вращающихся электрических машин в диапазоне среднего и высокого напряжения, а также к полуфабрикатам для электрических распределительных устройств.
Электрические машины (двигатели, генераторы) в своих многочисленных продольных пазах пакета стальных пластин статора имеют специально сформированные катушечные обмотки или токопроводящие полосы, как правило, из меди или другого материала с высокой электропроводностью.
В случае электрического двигателя посредством селективной по времени подачи напряжения создается распространяющееся кругом магнитное поле, которое приводит в движение подвешенный в высверленных в статоре отверстиях и свободно вращающийся ротор, который, например, благодаря многочисленным нанесенным постоянным магнитам реагирует на индуцированное магнитное поле в форме принудительного вращения, и тем самым электрическая энергия преобразуется в кинетическую энергию. При этом листовой пакет электрически подключен на массу, к катушкам же, напротив, подведен высокий киловольтный потенциал. Соответственно этому, проложенные в пазах статора катушки должны быть электрически изолированы от потенциала земли. Для этого каждая катушка, например, многократно и с определенным перекрыванием изолируется специальной лентой, например, слюдяной лентой.
Предпочтительно применяется слюда потому, что она в виде дисперсного, в особенности чешуйчатого, неорганического барьерного материала может эффективно и долго, например, на протяжении всего срока службы машины, замедлять электрическую эрозию при частичных разрядах, и имеет хорошую химическую, а также термическую устойчивость. Слюдяные ленты состоят из слюдяной бумаги и одной или многих подложек, например, ткани, пленки(-нок), которые с помощью липкой ленты соединены друг с другом. Слюдяные ленты необходимы, поскольку слюдяная бумага сама по себе не имеет требуемой для процесса нанесения изоляции механической прочности. В зависимости от варианта применения, в клей липкой ленты могут быть введены добавки, например, катализаторы отверждения, которые действуют как инициаторы термического отверждения подводимого снаружи пропиточного состава: после того, как изолированные слюдяной лентой катушки размещены в пакете стальных пластин статора и электрически соединены, для предотвращения частичных разрядов во время последующей эксплуатации удаляется воздух в полостях обмоток и в особенности в зазорах пазов пакета пластин статора. Поскольку это расстояние от находящейся под током изолированной катушки до пакета пластин, как правило, выдерживается настолько малым, насколько возможно, там нередкими являются напряженности полей, составляющие многие кВ/мм. Соответственно этому, материал изоляции подвергается воздействию высокого напряжения.
В качестве пропиточного состава согласно прототипу пригодными для процесса вакуумного импрегнирования оказались термически отверждаемые смеси эпоксидных смол и ангидридов.
Они используются для пропитки собранных из их отдельных деталей статоров электрических машин с точно размещенными и изолированными слюдяными лентами катушек и, соответственно, для отдельного импрегнирования катушек или токопроводящей полосы.
Во время специального процесса вакуумного импрегнирования способом VPI (вакуумной пропитки) эти статоры или катушки до сих пор целиком заливались жидкотекучей композицией из эпоксидной смолы и ангидрида фталевой кислоты в вакуумной камере, и затем с приложением давления подвергались термическому гелеобразованию. Как правило, окончательное отверждение выполняется при нормальном давлении в промышленной печи. При этом назначение катализатора отверждения состоит в том, что жидкотекучий пропиточный состав, обычно из эпоксидной смолы и ангидрида фталевой кислоты, подвергается гелеобразованию при заданной температуре в течение определенного времени. Промышленным стандартом для этого в качестве пропиточного состава до сих пор является смесь дистиллированного диглицидилового простого эфира бисфенола-А и ангидрида метилгексагидрофталевой кислоты. Эта смесь является в достаточной мере жидкотекучей, чтобы обеспечивать полную пропитку ленточной изоляции, с одной стороны, и длительный срок хранения в отсутствие катализатора отверждения, с другой стороны. Как правило, катализатор отверждения содержится по меньшей мере также в твердом изоляционном материале, например, в слюдяной ленте. Эта слюдяная лента удерживается на месте липкой лентой, так что безусловно необходимо, чтобы липкая лента и катализатор отверждения были инертными по отношению друг к другу.
В особенности предпочтительно, когда все три компонента, то есть, клей липкой ленты, катализатор отверждения и подводимый пропиточный состав, реагируют между собой лишь в момент объединения в VPI-процессе. Так достигается наилучшее возможное сшивание, а также связывание, совместимость и отсутствие усадочных раковин в изоляции, что опять же приводит к оптимизированному сроку службы образованной в конечном итоге при отверждении «основной изоляции» электрической машины.
Из-за токсикологических сомнений в отношении неограниченного использования ангидридов фталевых кислот в будущем найдут применение не содержащие ангидриды фталевых кислот или вообще не включающие ангидриды пропиточные композиции на эпоксидной основе, которые полимеризуются введением катализаторов отверждения.
Новые катализаторы отверждения рассчитаны на не содержащие ангидриды пропиточные составы. Используются усиленные не содержащие ангидриды пропиточные составы, как известные из ранних заявок DE 102014219844.5; DE 102014221715.6; DE 102015205328.8, DE 102015202053.3; DE 102015208527.9; DE 102015204885.3, объем раскрытия которых тем самым включен в содержание данного описания. Следствием этого является применение таких катализаторов отверждения, как, например, имидазолы, пиперазины, а также их производные, для которых опять же требуются другие клеи липких лент в твердом изоляционном материале, с которыми они имеют достаточную стабильность при хранении.
Соответственно этому, задача изобретения состоит в создании твердого изоляционного материала, и, в частности, липкой ленты для твердого изоляционного материала, а также в применении твердого изоляционного материала в способе вакуумного импрегнирования, и, наконец, электрической машины с изготовленной таким образом системой изоляции, причем исключается использование аллергизирующего дыхательные пути ангидрида фталевой кислоты.
Соответственно этому, предметом изобретения является твердый изоляционный материал, который вместе с безангидридным пропиточным составом может быть использован для изготовления системы изоляции в процессе вакуумного импрегнирования, причем он включает подложку, барьерный материал, катализатор отверждения и липкую ленту, катализатор отверждения и липкая лента являются инертными друг относительно друга, но в условиях вакуумного импрегнирования активируются, взаимодействуя с безангидридным пропиточным составом при продолжительностях гелеобразования от 1 часа до 15 часов при температуре импрегнирования, причем клей липкой ленты не содержит оксирановые группы.
Кроме того, предметом изобретения является применение изготовленной этим путем системы изоляции в электрических машинах, предпочтительно во вращающихся электрических машинах, в особенности предпочтительно во вращающихся электрических машинах в диапазоне среднего и высокого напряжения, а также в электрических распределительных устройствах, в вариантах применения со средним и высоким напряжением, выводах обмоток, выводах обмоток трансформаторов, выводах обмоток генераторов, и/или выводах установок для передачи постоянного тока высокого напряжения (HGÜ), а также в соответствующих заготовках.
Наконец, предмет изобретения составляют электрические машины, предпочтительно вращающиеся электрические машины, в особенности предпочтительно вращающиеся электрические машины в диапазоне среднего и высокого напряжения, а также электрические распределительные устройства, варианты применения со средним и высоким напряжением, выводы обмоток, выводы обмоток трансформаторов, выводы обмоток генераторов, и/или выводы HGÜ-установок, а также соответствующие заготовки, которые включают систему изоляции такого рода.
Согласно одному варианту осуществления изобретения, в качестве клея для липкой ленты оказались пригодными молекулы по меньшей мере с двумя свободными гидроксильными группами, то есть, например, диолы, триолы и/или полиолы.
Согласно одному варианту исполнения, используются смолообразные ди- или полиолы, которые в диапазоне температуры от комнатной температуры до около 100°С представляют собой материалы от вязких до высоковязких. В частности, при этом оказались пригодными материалы, которые в диапазоне температур от 60 до 70°С проявляют вязкость от 0,5 до 100 Па·сек, предпочтительно от 1 до 50 Па·сек, в особенности предпочтительно от 2 до 20 Па·сек. Например, этим техническим условиям удовлетворяет трициклодекандиметанол (CAS 26896-48-0).
С другой стороны, в качестве клея для липкой ленты применимы также твердые, термопластичные ди- и/или полиолы, которые плавятся и/или размягчаются лишь при температурах выше 100°С. Например, этой спецификации удовлетворяют поливинилбутирали.
Конечно, пригодные материалы имеют достаточное сцепление или клейкость в отношении подложки и/или барьерного материала, поэтому они применимы в качестве липкой ленты.
Согласно одному предпочтительному варианту исполнения, клеи липкой ленты выбираются так, что они имеют достаточную растворимость в пропиточном составе. Для этого используемые клеи липкой ленты имеют согласованную с пропиточным составом полярность.
Например, в качестве клея липкой ленты используются следующие соединения, предпочтительно с гидроксильными функциональными группами: лактоны, капролактоны, поликапролактоны, в частности, поликапролактоны с гидроксильными функциональными группами;
сложные эфиры полиолов, сложные полиэфиры полиолов, линейные сложные полиэфиры полиолов, разветвленные сложные полиэфиры полиолов, сложные полиэфиры полиолов с гидроксильными функциональными группами, дендритные сложные полиэфиры полиолов с гидроксильными функциональными группами, сложные полиэфиры полиолов на основе пропионовой кислоты, в частности, на основе алкилзамещенной пропионовой кислоты, такие как сложный полиэфир полиола на основе бис(гидроксиалкил)пропионовой кислоты, например, такие как полиол на основе 2,2-бис(гидроксиметил)-пропионовой кислоты;
ацетали, винилацетали, поливинилацетали, в частности, поливинилацетали с гидроксильными функциональными группами, например, такие как бутирали, винилбутирали, поливинилбутирали, в частности, поливинилбутирали с гидроксильными функциональными группами;
ацетальдегиды, винилацетальдегиды, поливинилацетальдегиды, в частности, поливинилацетальдегиды с гидроксильными функциональными группами; формали, винилформали, поливинилформали, в частности, поливинилформали с гидроксильными функциональными группами;
продукты сополимеризации акриловой кислоты, в частности, продукты сополимеризации акриловой кислоты с трициклоалканами, например, такие как продукт сополимеризации акриловой кислоты и 4,8-бис(гидроксиметил)трицикло[5.2.1.02,6]декана с CAS № 26896-48-0. В особенности пригодны в качестве клея липкой ленты также любые смеси, и/или продукты сополимеризации, и/или компаунды вышеуказанных соединений.
Согласно одному дополнительному варианту исполнения, клей липкой ленты выбирается из группы поливинилацеталей, причем содержание свободных гидроксильных групп, в расчете на поливиниловый спирт, составляет менее 35 мол.%, предпочтительно менее 30 мол.%, в особенности предпочтительно менее 25 мол.%.
Ди- или полиолы благодаря их гидроксильным группам пригодны для сополимеризации с отверждаемыми по катионному или анионному механизму композициями, в частности, также не содержащими ангидрид фталевой кислоты.
Соединения, впервые раскрытые здесь в качестве клея липкой ленты, преимущественно пригодны также как носители для действующих по катионному механизму катализаторов отверждения. Для этого необходимо, чтобы они с катализаторами отверждения даже при повышенной температуре около 70°С не проявляли или проявляли лишь в незначительной степени каталитическое действие в бимолекулярной реакции этерификации гидроксильных групп.
В качестве катализаторов отверждения в безангидридных системам пригодны, например, действующие по катионному механизму суперкислоты и/или соли суперкислот, например, такие как сульфониевые производные на основе гексафторантимонатов, тетрафторборатов или гексафторфосфатов, но также действующие по анионному механизму имидазолы, производные имидазолов, устойчивые в вакууме имидазолы, в частности, алкилимидазолы, например, алкилметилимидазол, в частности, 1-децил-2-метилимидазол, диалкилпиразол, в частности, 3,5-диметилпиразол.
Кроме того, также могут быть использованы пиперазин и/или производные пиперазина.
В твердом изоляционном материале подложка находится в форме тканевого материала, например, такого как стеклоткань, бестканевого («нетканого»), например, такого как нетканый материал, в частности, сложнополиэфирный нетканый материал, бумаги и/или пленки. При этом подложка в форме пленки также может быть перфорированной.
При этой подложке, в ней и/или на ней в твердом изоляционном материале находится барьерный материал, предпочтительно в форме частиц.
Барьерный материал предпочтительно, по меньшей мере частично, присутствует в виде чешуек. В частности, в качестве барьерного материала может быть, например, применена слюда.
Согласно одному предпочтительному варианту исполнения, используется покрытый барьерный материал в форме частиц. В частности, речь может идти о дисперсном барьерном материале с металлоксидным покрытием, например, о частицах с покрытием из оксида олова, оксида цинка, оксида титана.
При этом, согласно одному дополнительному варианту исполнения, предусматривается, что речь идет о легированном покрытии дисперсного, в особенности чешуйчатого барьерного материала.
Клей липкой ленты соединяет по меньшей мере подложку и барьерный материал в твердом изоляционном материале. Он содержится в твердом изоляционном материале в количестве в диапазоне от 1 до 30 вес.%, предпочтительно от 2 до 15 вес.%, в особенности предпочтительно от 5 до 10 вес.%.
Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, катализатор отверждения, называемый также «катализатором отверждения ленты» или «ускорителем формирования ленты», находится в твердом изоляционном материале в концентрации менее 10 вес.%, например, от 0,001 вес.% до 7,5 вес.%, предпочтительно в диапазоне от 0,01 до 5 вес.%, в особенности предпочтительно от 0,1 вес.% до 3,5 вес.%, так что гелеобразование может выполнено на протяжении многих часов.
Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, первый катализатор отверждения инициирует полимеризацию импрегнирующей смолы при температурах в диапазоне от 20°С до 100°С, предпочтительно от 50°С до 80°С, и в особенности предпочтительно от 55°С до 75°С.
Для достижения требуемой стабильности при хранении в твердом изоляционном материале, например, при комнатной температуре, и в особенности при температуре продолжительного в течение многих часов выдерживании в вакууме и импрегнирования, катализатор отверждения является сравнительно инертным в отношении материала клея липкой ленты. Это действительно также в условиях температуры выдерживании в вакууме и импрегнирования, которая варьирует, например, в диапазоне между 20°С и 100°С, в частности, от 50°С до 80°С, наиболее предпочтительно от 55°С до 75°С. Например, в качестве клея липкой ленты пригодны диолы, триолы и/или полиолы.
Изобретение относится к твердому, в частности, ленточному, изоляционному материалу, его применению в способе вакуумного импрегнирования, и к изготовленной этим путем системе изоляции, а также к электрической машине с системой изоляции, в частности, для диапазона среднего и высокого напряжения, а именно, для средне- и высоковольтных машин, в частности, вращающихся электрических машин в диапазоне среднего и высокого напряжения, а также к полуфабрикатам для электрических распределительных устройств. Твердый изоляционный материал и выполненная из него система изоляции отличаются тем, что могут быть изготовлены, будучи не содержащими ангидрид.
1. Твердый изоляционный материал, который вместе с безангидридным пропиточным составом может быть использован для изготовления системы изоляции в процессе вакуумного импрегнирования, причем он включает подложку, барьерный материал, катализатор отверждения и клей липкой ленты, катализатор отверждения и клей липкой ленты являются инертными относительно друг друга, но в условиях вакуумного импрегнирования активируются, взаимодействуя с безангидридным пропиточным составом при продолжительностях гелеобразования от 1 часа до 15 часов при температуре импрегнирования, причем клей липкой ленты не содержит оксирановые группы и причем клей липкой ленты имеет по меньшей мере две свободные гидроксильные группы, то есть, например, представляет собой диол, триол и/или полиол.
2. Изоляционный материал по п.1, причем клей липкой ленты в диапазоне температур от 60°С до 70°С проявляет вязкость от 0,5 до 100 Па·с, предпочтительно от 1 до 50 Па·с, в особенности предпочтительно от 2 до 20 Па·с.
3. Изоляционный материал по п. 1 или 2, причем клей липкой ленты представляет собой трициклодекандиметанол.
4. Изоляционный материал по п.1, причем клей липкой ленты расплавляется и/или размягчается лишь при температуре выше 100°С.
5. Изоляционный материал по п.4, причем клей липкой ленты представляет собой поливинилацеталь.
6. Изоляционный материал по одному из предшествующих пунктов, причем клей липкой ленты выбран из группы следующих соединений: лактонов, капролактонов, поликапролактонов, в частности поликапролактонов с гидроксильными функциональными группами;
сложных эфиров полиолов, сложных полиэфиров полиолов, линейных сложных полиэфиров полиолов, разветвленных сложных полиэфиров полиолов, сложных полиэфиров полиолов с гидроксильными функциональными группами, дендритных сложных полиэфиров полиолов с гидроксильными функциональными группами, сложных полиэфиров полиолов на основе пропионовой кислоты, в частности на основе алкилзамещенной пропионовой кислоты, таких как сложный полиэфир полиола на основе бис(гидроксиалкил)пропионовой кислоты, например, таких как полиол на основе 2,2-бис(гидроксиметил)-пропионовой кислоты;
ацеталей, винилацеталей, поливинилацеталей, в частности поливинилацеталей с гидроксильными функциональными группами, например, таких как бутирали, винилбутирали, поливинилбутирали, в частности поливинилбутирали с гидроксильными функциональными группами;
ацетальдегидов, винилацетальдегидов, поливинилацетальдегидов, в частности поливинилацетальдегидов с гидроксильными функциональными группами; формалей, винилформалей, поливинилформалей, в частности поливинилформалей с гидроксильными функциональными группами;
продуктов сополимеризации акриловой кислоты, в частности продуктов сополимеризации акриловой кислоты с трициклоалканами, например, таких как продукт сополимеризации акриловой кислоты и 4,8-бис(гидроксиметил)трицикло[5.2.1.02,6]декана с CAS № 26896-48-0, причем все вышеуказанные соединения предпочтительно имеют гидроксильные функциональные группы, а также любых композиций, смесей, сополимеров и/или компаундов вышеуказанных соединений.
7. Изоляционный материал по п.6, причем клей липкой ленты выбран из группы поливинилацеталей, отличающихся тем, что содержание свободных гидроксильных групп, в расчете на поливиниловый спирт, составляет менее 35 мол.%, предпочтительно менее 30 мол.%, в особенности предпочтительно менее 25 мол.%.
8. Изоляционный материал по одному из предшествующих пунктов, причем катализатор отверждения выбран из группы следующих соединений: действующих по катионному механизму суперкислот и/или солей суперкислот, например, таких как сульфониевые производные на основе гексафторантимонатов, тетрафторборатов или гексафторфосфатов, но также действующих по анионному механизму имидазолов, производных имидазолов, устойчивых в вакууме имидазолов, в частности алкилимидазолов, например алкилметилимидазола, в частности 1-децил-2-метилимидазола, диалкилпиразола, в частности 3,5-диметилпиразола, пиперазинов и/или производных пиперазина, а также любых смесей вышеуказанных соединений.
9. Изоляционный материал по одному из предшествующих пунктов, который включает подложку в форме тканевого материала, нетканого материала и/или пленки.
10. Изоляционный материал по п.9, который включает пленку, которая является перфорированной.
11. Изоляционный материал по одному из предшествующих пунктов, который включает барьерный материал в форме частиц.
12. Изоляционный материал по одному из предшествующих пунктов, причем барьерный материал в форме частиц включает, по меньшей мере частично, чешуйчатые частицы барьерного материала.
13. Изоляционный материал по п. 11 или 12, причем частицы барьерного материала снабжены покрытием.
14. Изоляционный материал по одному из пп. 11-13, причем покрытие включает оксид металла.
15. Изоляционный материал по одному из пп. 11-14, причем покрытие является легированным.
16. Изоляционный материал по одному из предшествующих пунктов, причем клей липкой ленты содержится в количестве в диапазоне от 1 до 30 вес.%, предпочтительно от 2 до 15 вес.%, в особенности предпочтительно от 5 до 10 вес.%.
17. Изоляционный материал по одному из предшествующих пунктов, который содержит катализатор отверждения в концентрации менее 10 вес.%, например от 0,001 вес.% до 7,5 вес.%, предпочтительно в диапазоне от 0,01 до 5 вес.%, в особенности предпочтительно от 0,1 вес.% до 3,5 вес.%.
18. Применение изготовленного вакуумным импрегнированием твердого изоляционного материала по одному из пп. 1-17 системы изоляции в средне- и высоковольтных электрических машинах, в частности вращающихся электрических машинах в диапазоне среднего и высокого напряжения, а также в электрических распределительных устройствах, в вариантах применения со средним и высоким напряжением, выводах обмоток, выводах обмоток трансформаторов, выводах обмоток генераторов и/или выводах установок для передачи постоянного тока высокого напряжения (HGÜ), а также в соответствующих заготовках.
19. Электрическая машина, предпочтительно вращающаяся электрическая машина, в особенности предпочтительно вращающаяся электрическая машина в диапазоне среднего и высокого напряжения, а также электрическое распределительное устройство, вариант применения со средним и высоким напряжением, вывод обмотки, вывод обмотки трансформатора, вывод обмотки генератора и/или вывод HGÜ-установки, а также соответствующая заготовка, которые включают систему изоляции, изготовленную как систему изоляции из твердого изоляционного материала по одному из пп. 1-17.
