CN115917677A - 由固体绝缘材料和浸渍树脂制成的绝缘*** - Google Patents

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Abstract

本发明大体上涉及电导体的绝缘以抵抗在中电压和高电压范围内的局部放电的领域。特别地，本发明涉及用于电机，特别是旋转电机，如电动机和/或发电机的绝缘***。通过本发明，首次为作为绝缘***，如旋转电机(如电动机和/或发电机)的主绝缘中的屏障材料常规使用的云母提供了替代品。该替代品基于聚醚酰亚胺‑硅氧烷共聚物，其可以扁平形式，例如通过平面挤出来加工。在此制成膜，其以膜形式或作为层压材料加工、作为扁平绝缘材料或带材切割、可用于绝缘***中。

Description

由固体绝缘材料和浸渍树脂制成的绝缘***
说明书
由固体绝缘材料和浸渍树脂制成的绝缘***
本发明大体上涉及电导体的绝缘以抵抗在中电压和高电压范围内的局部放电的领域。特别地，本发明涉及用于电机，特别是旋转电机，如电动机和/或发电机的绝缘***。
电机，例如在中电压和高电压范围内的电动机和发电机具有电导体、主绝缘和叠片定子铁芯。主绝缘的目的是将导体相对于彼此、相对于叠片定子铁芯和相对于环境进行电绝缘。当电机运行时，通过局部放电可能在主绝缘中形成所谓的“树枝状”通道。由于“树枝状”通道，可能发生穿过主绝缘的电击穿。在使用电线和电缆的低电压范围内，在运行过程中不一定发生放电，因此在此不需要防局部放电的屏障。
在本情况下，“中电压和高电压范围”被理解为是指以高于700V直至并包括52kV的高电压运行的电能技术。这也涵盖对汽车工业中能快速充电的驱动***有意义的绝缘***。
扁平绝缘材料形式的防局部放电的屏障迄今主要通过在主绝缘中使用云母实现，该云母具有高的抗局部放电性。云母以具有几百微米至几毫米的常规粒度的薄片形云母粒子的形式加工成云母纸，然后将其放置并胶粘到载体，如玻璃纤维织物和/或绝缘膜上，以使云母粒子制成云母宽带形式的扁平绝缘材料。从这种云母宽带中切割云母带，将其缠绕在导体周围以制成主绝缘。随后，为了生产绝缘***，用液体合成树脂浸渍该电绝缘云母缠绕带，然后将合成树脂固化。
绝缘***是已知的，例如以品牌
Figure BPA0000334200220000011
为人所知的***，其中在真空-压力浸渍法中用双酚环氧树脂浸渍包含云母缠绕带作为扁平绝缘材料的主绝缘。
Figure BPA0000334200220000012
也从EP2763142A1和DE 102011083228A中获知。
为了改进主绝缘的抗局部放电性，已知使用在浸渍前分散在合成树脂中的纳米级粒子。但是，由于存在这些粒子，合成树脂的适用期缩短，这特别表现为合成树脂在浸渍前的逐渐聚合。
云母宽带和/或云母带形式的扁平绝缘材料的生产是复杂且昂贵的。
特别地，由于这些要求，包含例如间位芳纶和聚酰亚胺作为载体膜的含云母的层压材料迄今也已经作为槽衬用于牵引电动机。云母是天然产品并以云母片岩的形式开采。因此，资源有限，云母随开采地点而发生品质波动，并非总是同样良好可得，并且采购成本相当高，更不用说生产云母带作为扁平绝缘材料的复杂加工。
因此，本发明的目的是提供扁平绝缘材料以完全或部分替代已知的含云母纸的绝缘材料用于生产绝缘***，特别是中电压和高电压范围内的旋转电机，如电动机或发电机中构成主绝缘的绝缘***。
通过如说明书、附图和权利要求书中公开的本发明的主题实现该目的。
因此，本发明的目的实现方式和主题是绝缘***，所述绝缘***包含扁平绝缘材料形式的固体绝缘材料和合成树脂，其中所述扁平绝缘材料是聚醚酰亚胺与硅氧烷的共聚物，所述合成树脂是热固性树脂，用其浸渍扁平绝缘材料并随后以封装形式固化。
本发明的一般发现在于，在聚醚酰亚胺-硅氧烷共聚物中，已经确立并证明在抗局部放电性方面作为中电压和高电压范围内的绝缘材料的巨大潜力。特别地，还已经确立，在聚醚酰亚胺和硅氧烷的共聚物中，由于与纯聚醚酰亚胺相比硅氧烷的较低极性的侧基充当“杂质”，结果使得玻璃化转变温度降低。此外，硅氧烷比例充当“增塑剂”，但其是化学键合的并且无法热承受像纯聚醚酰亚胺那样高的温度，但其仍然适用于较高的温度负荷。聚醚酰亚胺-硅氧烷共聚物可通过合适的挤出法以扁平形式制成膜，该膜本身具有足够的弹性，以便以切割形式用作缠绕带型主绝缘的缠绕带。
借助表面轮廓仪通过测定电老化后的比侵蚀体积(Erosionsvolumen)评估抗局部放电性。这根据IEC 60343进行。试验结构和试验条件可见于出版物：N.Müller；S.Lang；R.Moos：″Influence of ambient conditions on electrical partial dischargeresistance of epoxy anhydride based polymers using IEC 60343 method″，Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation 2019。
在一个有利的实施方案中，该聚醚酰亚胺-硅氧烷共聚物是嵌段共聚物。
该共聚物中的硅氧烷比例为基于共聚物的总重量计0.1重量％至90重量％，特别是10重量％至60重量％，特别是20重量％至40重量％。
在一个有利的实施方案中，该共聚物中的硅原子的原子比例为1％至25％，特别是5％至15％。
在本发明的一个有利的实施方案中，该聚醚酰亚胺-硅氧烷共聚物是通式(I)的嵌段共聚物
Figure BPA0000334200220000031
其中
-R1-6相同或不同并选自
·具有5至30个碳原子的取代或未取代的、饱和、不饱和或芳族的单环，
·具有5至30个碳原子的取代或未取代的、饱和、不饱和或芳族的多环，
·具有1至30个碳原子的取代或未取代的饱和烃，
·具有2至30个碳原子的取代或未取代的不饱和烃；
-V是四价连接基，其选自
·具有5至50个碳原子的取代或未取代的、饱和、不饱和或芳族的单环和多环，
·具有1至30个碳原子的取代或未取代的饱和烃，
·具有2至30个碳原子的取代或未取代的不饱和烃，
·以及包含至少一个上述基团的任意组合的连接基；
-g是1至30和
-d是2至20。
在本发明的另一个有利的实施方案中，该共聚物中可包括一种或多种添加剂。例如，一种或多种金属氧化物，例如TiO2、Fe2O3和/或MnFe2O4，和/或不导电的碳基填料，例如工业炭黑，可用作添加剂。
术语“硅氧烷”在本情况中原则上被理解为是指具有至少一个-Si-O-Si-单元的化合物，特别是在聚合物中形成如硅酮中常见的-Si-O-Si-主链的那些化合物。例如，聚二烷基硅氧烷，如聚二甲基硅氧烷，或聚二芳基硅氧烷，如聚二苯基硅氧烷，是硅氧烷的简单形式。当然，也有混合形式的硅氧烷，例如聚芳烷基硅氧烷。
术语聚醚酰亚胺或“PEI”是指可广泛使用的热塑性塑料，因为其耐高温并被归类为阻燃，因为其即使仍然燃烧也表现出低发烟。PEI具有高强度和高抗电击穿性、低重量并且耐紫外光和γ射线。PEI特别可作为
Figure BPA0000334200220000041
购得。
所用浸渍树脂是热固性树脂。在此例如可以使用聚酯、甲醛、环氧化物、酚醛清漆、硅酮、聚酯酰亚胺、聚氨酯以及上述化合物的任意混合物、共混物和共聚物。用于槽衬和/或缠绕带绝缘材料的浸渍树脂是众所周知的，尤其是从上文提到的专利文献中。固体绝缘材料用这些浸渍树脂浸渍，然后将树脂固化以完成绝缘***。
聚醚酰亚胺-硅氧烷共聚物可以商品名″SiltemTM″获得，其在此已经成功地使用和测试。Siltem是一种无定形热塑性聚醚酰亚胺-硅氧烷共聚物并兼具PEI的耐温度性和硅酮弹性体的柔性。
图1和2显示包含绝缘***的两个试样的表面，在每种情况下显示被合成树脂浸渍的固体扁平绝缘材料，所述合成树脂在进行浸渍后已经固化。这两个图都显示电老化后的试样。图1显示用纯聚醚酰亚胺制成的绝缘***的侵蚀，图2显示用本发明的聚醚酰亚胺-硅氧烷共聚物以固体扁平绝缘材料的形式制成的绝缘***在相同条件下的侵蚀。
根据IEC 60343用于电老化的特定标准试验条件是：
电压：10kV
气氛：空气50％RH
温度：室温，大约23℃
试验持续时间：100小时
流量：10001*h-1
在图1下方存在图例，其中可以看出，在图1中，对于使用纯PEI的绝缘***，在下面提到的条件下，在居中布置的导体周围形成一个圆，其具有最多80μm的由局部放电造成的侵蚀深度，而在相同条件下，图2的试样——其中除固体绝缘材料外相同制成的绝缘***并包含根据本发明的共聚物作为固体绝缘材料，在测试的情况下以商品
Figure BPA0000334200220000042
和/或
Figure BPA0000334200220000043
STM 1600作为PEI-硅氧烷共聚物——也表现出圆形老化，但侵蚀深度仅为-1μm至-8μm。
根据这些试验，本发明在绝缘技术中取得巨大突破，因为在此首次能够省去生产上复杂且昂贵的含云母的绝缘材料。
表明了，与纯聚醚酰亚胺相比，该共聚物带来巨大的增进，确实几乎完全抵抗局部放电。
由于确定的抗局部放电性，在此首次作为云母替代品提出的聚醚酰亚胺-硅氧烷共聚物适合作为扁平绝缘材料——既可用于缠绕带绝缘材料，又可用于扁平的绝缘材料，例如槽衬绝缘材料，特别是在电动机的使用中，既可用于牵引电动机，又可用于驱动电动机，也用于发电机，例如风力发电机。由于其出色的延伸性质，拓宽了例如牵引电动机的设计范围。
因此，可实现的目标是使用由聚醚酰亚胺-硅氧烷共聚物制成的本发明的扁平绝缘材料生产含间位芳纶的槽衬以及含聚酰亚胺的绝缘带，而不必在电动机或发电机的功率密度方面做出权衡。特别地，在这两种绝缘***中都可以用尤其可通过平面挤出进行加工的聚醚酰亚胺-硅氧烷共聚物替代云母纸和/或云母带，它们各自至少包含在载体，例如玻璃织物上的云母和用于粘合云母薄片的胶带胶粘剂。
例如通过平面挤出制成的聚醚酰亚胺-硅氧烷膜对例如电动机绕组的线圈和/或电线进行绝缘。然后将这些线圈***叠片铁芯的槽中，然后用浸渍树脂，例如聚酯酰亚胺和/或硅酮浸渍。
根据本发明的一个实施方案的绝缘***例如包含具有一个或多个聚醚酰亚胺-硅氧烷共聚物膜的层压材料，也例如加工成具有载体和/或保护膜的层压材料-例如粘合到作为载体膜的间位芳纶或聚酰亚胺上。
术语“膜”在本情况下被理解为是指扁平材料层。膜是一个层而非层堆叠体。
相反，“层压材料”通常是包含一个或多个膜的层堆叠体。在此，这些层可能以全面方式(即所有层都是膜)或以部分面方式(即至少一个层具有例如网格结构和/或随机分布的纤维和/或网结构)彼此重叠。将膜与织物或铺设物(例如玻璃纤维铺设物)粘合也可能足以形成层压材料。
在本情况下，“层压材料”被理解为是指至少两个层或膜(即例如至少一个例如由间位芳纶或聚酰亚胺制成的载体膜和/或保护膜，与至少一个由聚醚酰亚胺-硅氧烷共聚物制成的膜)的堆叠体和/或复合材料。
特别在如例如电动机、风力发电机等中存在的槽衬的情况下，以聚醚酰亚胺-硅氧烷共聚物的单膜作为扁平绝缘材料可能撕裂，因此为了使用该聚醚酰亚胺-硅氧烷共聚物作为绝缘材料，更好的是在此使用具有相对耐撕裂的膜的层压材料。
在另一个实施方案中，将该层压材料例如切割成带材并用于绝缘***。
由此，电动机的槽绝缘可以在其整个长度上和/或另外受到作为槽衬的由大膜厚度和/或加工为层压材料(也就是说例如与间位芳纶膜和/或聚酰亚胺膜复合)的聚醚酰亚胺-硅氧烷共聚物制成的扁平绝缘材料的保护。
然后将绕组***槽中，再用浸渍树脂，如聚酯酰亚胺或硅酮浸渍整个绕组。
当生产作为缠绕带的扁平绝缘材料时，为了此处提到的目标，特别以20μm至300μm，特别是25μm至200μm，非常优选30μm至170μm的厚度生产带型膜。然后由该带型膜制成用于生产缠绕带绝缘材料的固体部分的缠绕带，然后用浸渍树脂浸渍。
当生产例如用于槽衬的扁平绝缘材料时，为了此处提到的目标，特别以12.5μm至500μm，特别是25μm至450μm，非常优选50μm至300μm的厚度生产膜。然后由该膜制成用于生产槽绝缘***的固体部分的扁平绝缘材料，例如通过层压多个膜、纸或不同材料的膜，如间位芳纶膜或聚酰亚胺膜，然后用浸渍树脂浸渍。
使用聚醚酰亚胺-硅氧烷共聚物作为扁平绝缘材料的进一步优点例如在于，
-与使用基于云母的扁平绝缘材料相比，可以明显更有利地生产整个绝缘***，
-该扁平绝缘材料具有大约150℃至200℃的热可负荷性，
-由于其硅氧烷比例，该聚醚酰亚胺-硅氧烷共聚物也是柔性的，因此其可用作缠绕带，
-在电学上，其-如试验已经表明-持久承受所需场强，这是因为-如在本情况中已经发现-如果在电场强度高达最多15kV/mm(！)的情况下放电击中硅氧烷或SiO2纳米粒子，形成玻璃化保护层，其显著增加用其绝缘的旋转电机的寿命。由此形成的玻璃化层可以良好地借助SEM检测，此外有可能借助EDX进行元素分析以检测共聚物中的硅，和
-如本说明书的图2所示，其是抗局部放电的，这使得电气寿命显著增加。
通过本发明，首次为作为绝缘***，如旋转电机(如电动机和/或发电机)的主绝缘中的屏障材料常规使用的云母提供了替代品。该替代品基于聚醚酰亚胺-硅氧烷共聚物，其可以扁平形式，例如通过平面挤出来加工。在此制成膜，其以膜形式或作为层压材料加工、作为扁平绝缘材料或带材切割、可用于绝缘***。

Claims (15)

1.绝缘***，其包含扁平绝缘材料形式的固体绝缘材料和合成树脂，其中所述扁平绝缘材料是聚醚酰亚胺与硅氧烷的共聚物，所述合成树脂是热固性树脂，用其浸渍扁平绝缘材料并随后以封装形式固化。
2.如权利要求1中所述的绝缘***，其中所述聚醚酰亚胺与硅氧烷的共聚物是嵌段共聚物。
3.如权利要求1或2任一项中所述的绝缘***，其中所述共聚物具有基于共聚物的总重量计0.1重量％至90重量％的硅氧烷比例。
4.如前述权利要求任一项中所述的绝缘***，其中所述共聚物中存在基于共聚物中的所有原子计1％至25％的硅原子的原子比例。
5.如前述权利要求任一项中所述的绝缘***，其中所述共聚物符合式(I)
Figure FPA0000334200210000011
其中
-R1-6相同或不同并选自
·具有5至30个碳原子的取代或未取代的、饱和、不饱和或芳族的单环，
·具有5至30个碳原子的取代或未取代的、饱和、不饱和或芳族的多环，
·具有1至30个碳原子的取代或未取代的饱和烃，
·具有2至30个碳原子的取代或未取代的不饱和烃；
-V是四价连接基，其选自
·具有5至50个碳原子的取代或未取代的、饱和、不饱和或芳族的单环和多环，
·具有1至30个碳原子的取代或未取代的饱和烃，
·具有2至30个碳原子的取代或未取代的不饱和烃，
·以及包含至少一个上述基团的任意组合的连接基；
-g是1至30和
-d是2至20。
6.如前述权利要求任一项中所述的绝缘***，其中所述扁平绝缘材料中设置一种或多种添加剂。
7.如前述权利要求任一项中所述的绝缘***，其中所用共聚物是可以商品名SiltemTM获得的产品。
8.如前述权利要求任一项中所述的绝缘***，其包含由聚醚酰亚胺-硅氧烷共聚物制成的扁平绝缘材料，所述扁平绝缘材料至少为层压材料形式、膜形式、带材形式和/或切割自层压材料的带材形式。
9.聚醚酰亚胺-硅氧烷共聚物作为扁平绝缘材料和/或作为缠绕带用于在中电压和高电压范围内的绝缘***的用途。
10.聚醚酰亚胺-硅氧烷共聚物作为扁平绝缘材料和/或作为缠绕带在电牵引电动机中的用途。
11.聚醚酰亚胺-硅氧烷共聚物作为扁平绝缘材料和/或作为缠绕带在蒸汽轮机和/或燃气轮机的发电机中的用途。
12.聚醚酰亚胺-硅氧烷共聚物作为扁平绝缘材料和/或作为缠绕带在风力发电机中的用途。
13.聚醚酰亚胺-硅氧烷共聚物作为扁平绝缘材料和/或作为缠绕带在电驱动电动机中的用途。
14.聚醚酰亚胺-硅氧烷共聚物作为膜和/或层压材料形式的扁平绝缘材料用作槽衬的用途。
15.聚醚酰亚胺-硅氧烷共聚物作为带材形式的扁平绝缘材料用作旋转电机、电动机和/或发电机中的缠绕带的用途。
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