EP2807654A1 - Insulating material for rotating machines - Google Patents

Insulating material for rotating machines

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Publication number
EP2807654A1
EP2807654A1 EP13713811.1A EP13713811A EP2807654A1 EP 2807654 A1 EP2807654 A1 EP 2807654A1 EP 13713811 A EP13713811 A EP 13713811A EP 2807654 A1 EP2807654 A1 EP 2807654A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
insulating material
filler
resin
material according
nanoparticles
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13713811.1A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Peter GRÖPPEL
Christian Meichsner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2807654A1 publication Critical patent/EP2807654A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/34—Silicon-containing compounds
    • C08K3/36—Silica
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/18—Oxygen-containing compounds, e.g. metal carbonyls
    • C08K3/20—Oxides; Hydroxides
    • C08K3/22—Oxides; Hydroxides of metals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B3/00—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties
    • H01B3/18—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances
    • H01B3/30—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances plastics; resins; waxes
    • H01B3/40—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances plastics; resins; waxes epoxy resins
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/12—Impregnating, heating or drying of windings, stators, rotors or machines
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/30—Windings characterised by the insulating material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/18—Oxygen-containing compounds, e.g. metal carbonyls
    • C08K3/20—Oxides; Hydroxides
    • C08K3/22—Oxides; Hydroxides of metals
    • C08K2003/2227—Oxides; Hydroxides of metals of aluminium

Definitions

  • the invention relates to an insulating material and the use of the insulating material for rotating machines such as motors and generators.
  • Electric machines such as e.g. Motors and generators, have electrical conductors, electrical insulation and a
  • the reliability of the insulation system is significantly responsible for their operational safety.
  • the insulating system has the task of electrical conductors (wires, coils, rods) permanently against each other and against the stator core or the environment to isolate.
  • electrical conductors wires, coils, rods
  • partial conductor insulation partial conductor insulation
  • conductors or windings conductor or winding insulation
  • main insulation main insulation
  • the thickness of the main insulation is adapted to both the rated voltage of the machine and the operating and manufacturing conditions.
  • the competitiveness of future power plants, their distribution and use depends to a large extent on the materials used and the technologies used for isolation.
  • High-voltage and medium-voltage motors and generators today use stratified mica insulation.
  • VPI vacuum pressure impregnation
  • mica is used in the form of mica paper, wherein in the course of impregnation, the cavities located in the mica paper between the individual particles are filled with resin.
  • the combination of impregnating resin and carrier material of the mica provides the mechanical strength of the insulation.
  • the electrical strength results from the large number of solid-solid interfaces of the mica used.
  • the resulting stratification of organic and inorganic materials forms microscopic interfaces whose resistance to partial discharges and thermal stresses is determined by the properties of the mica platelets. Due to the complex VPI process even the smallest voids in the insulation must be filled with resin in order to minimize the number of internal gas-solid interfaces.
  • nanoparticulate fillers To further improve the durability, the use of nanoparticulate fillers is described. It is known from the literature (and from experience with the use of mica) that inorganic particles, in contrast to the polymeric insulating material, are not damaged or destroyed to a very limited extent under partial discharge action. The resulting erosion-inhibiting effect is dependent, inter alia, on the particle diameter and the particle surface that results from this. It shows that the larger the specific surface area of the particles, the greater the erosion-inhibiting effect on the particles. Inorganic nanoparticles have very large specific surface areas of 50 m 2 / g or more. For this purpose, the following technologies are used:
  • the main difference between the two technologies is the design and manufacture of the actual coil insulation system. While the VPI system is finished only after impregnation and after curing of the winding in a convection oven, the separately cured under temperature and pressure legs of the resin-Resin-coil already before installation in the stator is a functioning and testable insulation system.
  • the VPI process works with porous belts, which form under vacuum and subsequent pressurization of the impregnation tank with overpressure after curing in a convection oven to form a solid and continuous insulation system.
  • the production of resin-rich coils is more complex because each coil leg or coil bar must be manufactured individually in special baking presses, resulting in a specific increase in the cost of each coil.
  • EP 1366112 Bl describes a system which describes the preparation and properties of a nanoparticulate polymer. Therein a polymer with nanoparticulate filler based on silica with a maximum half-width of the distribution curve of 1.5 d max is described.
  • a disadvantage of the solution proposed there is that the insulation proposed there is not optimal in terms of the formation of a passivation layer.
  • a passivation layer is formed by application of an insulating material when a polymer filled with nanoparticles is exposed to partial discharges. Under partial discharge stress, the polymeric matrix degrades and releases the filler, for example, the nanoparticles, which then form a firmly adherent layer on the surface and thereby passivate the insulating coated body.
  • the formation of the passivation layer takes a long time and the agglomeration is incomplete.
  • the object and object of the present invention is an insulating material comprising a formulation comprising a resin and a nanoparticulate filler embedded therein, characterized in that the filler is present in at least a bimodal size distribution.
  • the subject matter of the invention is the use of an insulating material according to the invention for impregnating coil windings in rotating electrical machines, preferably in generators. It is preferably an insulating material comprising a thermally and / or UV-polymerizable formulation having a nanoparticulate filler dispersed therein in which the half-width of the distribution curve, characterized by transmission electron microscopy, is greater than 1.5 d max .
  • the formation of the passivation layer in this case depends to a particular extent on the size and the percentage of the dispersed nanoparticles, since the interparticle distance is decisive for the degradation of the polymer matrix between the nanoparticles and thus for the temporal formation of the passivation layer.
  • the nanoparticles are dispersed monodisperse in the filler.
  • the nanoparticles in the filler are based on a metal oxide, a semimetal oxide and particularly preferably on silicon dioxide and / or aluminum oxide.
  • the polymeric matrix in which the filler is dispersed is an epoxy resin, for example a diglycidyl ether based on bisphenols, for example bisphenol-A and / or bisphenol-F.
  • the filler is present in the insulating material in an amount of 1 to 80% by weight, in particular 1 to 60% by weight and more preferably in the range of 1 to 50% by weight of the total formulation.
  • FIG. 4 shows a comparable representation to that of FIG. 3, however, of another embodiment of the invention, in which a system with aluminum oxide particles and silicon dioxide particles is shown.
  • the size distribution shown in FIG. 4 shows a local d max at 9 nm. This results in a half-width of the distribution curve of likewise 1.7 d max .

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Abstract

The invention relates to an insulating material and to the use of the insulating material for rotating machines such as motors and generators. The invention discloses for the first time an insulating material with a filler that is not based only on a monomodal nanoparticle size distribution. This is highly conducive to the formation of in situ protective layers on the body to be insulated.

Description

Beschreibung description
Isolierstoff für rotierende Maschinen Die Erfindung betrifft einen Isolierstoff und die Verwendung des Isolierstoffs für rotierende Maschinen wie Motoren und Generatoren . The invention relates to an insulating material and the use of the insulating material for rotating machines such as motors and generators.
Elektrische Maschinen, wie z.B. Motoren und Generatoren, wei- sen elektrische Leiter, eine elektrische Isolation und einElectric machines, such as e.g. Motors and generators, have electrical conductors, electrical insulation and a
Ständerblechpaket auf. Dabei ist die Zuverlässigkeit des Isoliersystems maßgeblich für deren Betriebssicherheit verantwortlich. Das Isoliersystem hat die Aufgabe, elektrische Leiter (Drähte, Spulen, Stäbe) dauerhaft gegeneinander und gegen das Ständerblechpaket oder die Umgebung zu isolieren. Innerhalb einer Hochspannungsisolierung unterscheidet man die Isolierung zwischen Teilleitern (Teilleiterisolierung) , zwischen den Leitern bzw. Windungen (Leiter- bzw. Windungsisolierung) und zwischen Leiter und Massepotenzial im Nut- und Wickel - kopfbereich (Hauptisolierung) . Die Dicke der Hauptisolierung ist sowohl der Nennspannung der Maschine, als auch den Betriebs- und Fertigungsbedingungen angepasst. Die Wettbewerbsfähigkeit zukünftiger Anlagen zur Energieerzeugung, deren Verteilung und Nutzung hängt in entscheidendem Maße von den eingesetzten Materialien und angewandten Technologien zur Isolation ab. Stand laminated on. The reliability of the insulation system is significantly responsible for their operational safety. The insulating system has the task of electrical conductors (wires, coils, rods) permanently against each other and against the stator core or the environment to isolate. Within high-voltage insulation, a distinction is made between the insulation between partial conductors (partial conductor insulation), between the conductors or windings (conductor or winding insulation) and between conductor and earth potential in the groove and winding head area (main insulation). The thickness of the main insulation is adapted to both the rated voltage of the machine and the operating and manufacturing conditions. The competitiveness of future power plants, their distribution and use depends to a large extent on the materials used and the technologies used for isolation.
Das grundlegende Problem bei derartig elektrisch belasteten Isolatoren liegt in der sog. teilentladungsinduzierten Erosi- on. Bei mechanischer oder thermischer Belastung im Betrieb der Maschine können sich Hohlräume an den Grenzflächen zwischen der Isolation und dem Leiter oder zwischen Isolation und dem Ständerbleckpaket bilden, in denen sich durch elektrische Teilentladungen Funken bilden können. Durch die Funken können sich sog. „Treeing" -Kanäle in der Isolation ausbilden. Die sich ausbildenden Treeing-Kanälen können letztendlich zum elektrischen Durchschlag des Isolators führen. Vor diesem Hintergrund ist es Stand der Technik, dass zur dauerhaften Isolierung der spannungsführenden Leiter der Statoren in rotierenden Maschinen (Motoren, Generatoren, Turbogeneratoren, Wasserkraftgeneratoren, Windkraftgeneratoren) glimmerbasierte Isolierungen zum Einsatz kommen. The basic problem with such electrically loaded insulators lies in the so-called partial discharge induced erosion. During mechanical or thermal stress during operation of the machine, cavities may form at the interfaces between the insulation and the conductor or between the insulation and the stator lamination packet, in which sparks may form due to partial electrical discharges. Due to the sparks, so-called "treeing" channels can form in the insulation.The forming treeing channels can ultimately lead to electrical breakdown of the insulator.For this background, it is state of the art that for permanent Insulation of the live conductors of stators in rotating machines (motors, generators, turbo generators, hydropower generators, wind power generators) mica based insulations are used.
Bei Hoch- und Mittelspannungsmotoren und -generatoren werden heute geschichtete Glimmerisolierungen eingesetzt. Dabei werden die aus den isolierten Teilleitern hergestellten Formspulen mit Glimmerbändern umwickelt und vorrangig in einem Vaku- um-Druck-Prozess (VPI = vacuum pressure impregnation) mit Kunstharz imprägniert. Dabei wird Glimmer in Form von Glimmerpapier eingesetzt, wobei im Rahmen der Imprägnierung die im Glimmerpapier zwischen den einzelnen Partikeln befindlichen Hohlräume mit Harz gefüllt werden. Der Verbund von Im- prägnierharz und Trägermaterial des Glimmers liefert die mechanische Festigkeit der Isolierung. Die elektrische Festigkeit ergibt sich aus der Vielzahl der Feststoff-Feststoff- Grenzflächen des verwendeten Glimmers. Die so entstandene Schichtung aus organischen und anorganischen Materialien bil- det mikroskopische Grenzflächen, deren Beständigkeit gegen Teilentladungen und thermische Beanspruchungen von den Eigenschaften der Glimmerplättchen bestimmt wird. Durch den aufwendigen VPI-Prozess müssen auch kleinste Hohlräume in der Isolierung mit Harz ausgefüllt werden, um die Anzahl innerer Gas-Feststoff-Grenzflächen zu minimieren. High-voltage and medium-voltage motors and generators today use stratified mica insulation. In this case, the mold coils produced from the insulated partial conductors are wrapped with mica tapes and impregnated primarily with resin in a vacuum-pressure process (VPI = vacuum pressure impregnation). In this case, mica is used in the form of mica paper, wherein in the course of impregnation, the cavities located in the mica paper between the individual particles are filled with resin. The combination of impregnating resin and carrier material of the mica provides the mechanical strength of the insulation. The electrical strength results from the large number of solid-solid interfaces of the mica used. The resulting stratification of organic and inorganic materials forms microscopic interfaces whose resistance to partial discharges and thermal stresses is determined by the properties of the mica platelets. Due to the complex VPI process even the smallest voids in the insulation must be filled with resin in order to minimize the number of internal gas-solid interfaces.
Zur zusätzlichen Verbesserung der Beständigkeit wird der Einsatz von nanopartikulären Füllstoffen beschrieben. Es ist aus der Literatur (und durch die Erfahrung beim Einsatz von Glimmer) bekannt, dass anorganische Partikel, im Gegensatz zum polymeren Isolierstoff, nicht oder in nur sehr eingeschränktem Umfang unter Teilentladungseinwirkung geschädigt oder zerstört werden. Dabei ist die resultierende erosionsinhibie- rende Wirkung unter anderem vom Partikeldurchmesser und der sich daraus generierenden Partikeloberfläche abhängig. Dabei zeigt sich, dass je größer die spezifische Oberfläche der Partikel ist, desto größer ist die erosionsinhibierende Wirkung auf die Partikel. Anorganische Nanopartikel weisen sehr große spezifische Oberflächen mit 50 m2/g oder mehr auf. Dazu werden im Wesentlichen folgende Technologien eingesetzt: To further improve the durability, the use of nanoparticulate fillers is described. It is known from the literature (and from experience with the use of mica) that inorganic particles, in contrast to the polymeric insulating material, are not damaged or destroyed to a very limited extent under partial discharge action. The resulting erosion-inhibiting effect is dependent, inter alia, on the particle diameter and the particle surface that results from this. It shows that the larger the specific surface area of the particles, the greater the erosion-inhibiting effect on the particles. Inorganic nanoparticles have very large specific surface areas of 50 m 2 / g or more. For this purpose, the following technologies are used:
• Vakuum-Druck- Imprägnier-Technologie (VPI-Prozess)• Vacuum pressure impregnation technology (VPI process)
• Resin Rieh Technologie • Resin Rieh technology
Der Hauptunterschied zwischen beiden Technologien ist der Aufbau und die Herstellung des eigentlichen Isoliersystems der Spulen. Während das VPI System erst nach der Tränkung und nach dem Aushärten der Wicklung im Umluftofen fertig ist, stellt der separat unter Temperatur und Druck ausgehärtete Schenkel der Resin-Rich Spule bereits vor dem Einbau in den Stator ein funktionierendes und prüfbares Isolationssystem dar . Der VPI-Prozess arbeitet mit porösen Bändern, welche sich unter Vakuum und anschließender Beaufschlagung des Tränkbehälters mit Überdruck nach dem Aushärten im Umluftofen zu einem festen und kontinuierlichem Isoliersystem ausbildet. Im Gegensatz dazu ist die Herstellung von Resin-Rich Spulen aufwändiger, da jeder Spulenschenkel oder Wicklungsstab einzeln in speziellen Backpressen hergestellt werden muss, was zu einer spezifischen Erhöhung der Kosten der einzelnen Spule führt. Hierbei kommen Glimmerbänder zum Einsatz, die mit ei- nem polymeren Isolierstoff imprägniert sind, der sich in einem sog. B-Zustand befindet. Dies bedeutet, dass das Polymer, zumeist aromatische Epoxidharze (BADGE, BFDGE, epoxidierte Phenolnovolake , epoxidierte Kresolnovolake und Anhydride oder Amine als Härter) , teilweise vernetzt ist und somit einen klebfreien Zustand aufweist, aber bei nochmaliger Erwärmung erneut aufschmelzen und abschließend ausgehärtet werden kann um somit in die endgültige Form gebracht zu werden. Da das Harz in einem Überschuss eingebracht wird, kann es bei der abschließenden Verpressung in alle Hohlräume und Kavitäten fließen, um die entsprechende Isolationsqualität zu erreichen. Überschüssiges Harz wird durch den Pressvorgang aus der Vorlage gepresst. Aus der Literatur ist bekannt, dass der Einsatz nanopartikulärer Füllstoffe in polymeren Isolierstof- fen zu signifikanten Verbesserungen der Isolierung bzgl . der elektrischen Lebensdauer führt. The main difference between the two technologies is the design and manufacture of the actual coil insulation system. While the VPI system is finished only after impregnation and after curing of the winding in a convection oven, the separately cured under temperature and pressure legs of the resin-Resin-coil already before installation in the stator is a functioning and testable insulation system. The VPI process works with porous belts, which form under vacuum and subsequent pressurization of the impregnation tank with overpressure after curing in a convection oven to form a solid and continuous insulation system. In contrast, the production of resin-rich coils is more complex because each coil leg or coil bar must be manufactured individually in special baking presses, resulting in a specific increase in the cost of each coil. Here, mica tapes are used which are impregnated with a polymeric insulating material which is in a so-called B-state. This means that the polymer, mostly aromatic epoxy resins (BADGE, BFDGE, epoxidized phenol novolaks, epoxidized cresol novolaks and anhydrides or amines as hardeners), is partially crosslinked and thus has a tack-free state, but can be remelted by repeated heating and finally cured thus to be brought into the final form. Since the resin is introduced in an excess, it can flow in the final compression in all cavities and cavities to achieve the appropriate insulation quality. Excess resin is pressed by the pressing process from the template. It is known from the literature that the use of nanoparticulate fillers in polymeric insulating materials fen to significant improvements in insulation. the electrical life leads.
Die EP 1366112 Bl beschreibt ein System, welches die Herstel- lung und Eigenschaften eines nanopartikulären Polymers beschreibt. Darin wird ein Polymer mit nanopartikulärem Füllstoff auf Basis von Siliciumdioxid mit einer maximalen Halbwertsbreite der Verteilungskurve von 1,5 dmax beschrieben. Nachteilig an der dort vorgeschlagenen Lösung ist, dass die dort vorgeschlagene Isolierung noch nicht optimal im Hinblick auf die Ausbildung einer Passivierungsschicht ist. Eine Passivierungsschicht bildet sich durch Applikation eines Isolierstoffs aus, wenn ein mit Nanopartikeln gefülltes Polymer Teilentladungen ausgesetzt wird. Unter Teilentladungsbeanspruchung degradiert die polymere Matrix und setzt den Füllstoff, also beispielsweise die Nanopartikel , frei, die dann eine fest anhaftende Schicht auf der Oberfläche bilden und damit den mit der Isolierung überzogenen Körper passivieren. Im Fall der oben genannten EP 1366112 Bl dauert die Ausbildung der Passivierungsschicht lange und die Agglomeration ist unvollständig . EP 1366112 Bl describes a system which describes the preparation and properties of a nanoparticulate polymer. Therein a polymer with nanoparticulate filler based on silica with a maximum half-width of the distribution curve of 1.5 d max is described. A disadvantage of the solution proposed there is that the insulation proposed there is not optimal in terms of the formation of a passivation layer. A passivation layer is formed by application of an insulating material when a polymer filled with nanoparticles is exposed to partial discharges. Under partial discharge stress, the polymeric matrix degrades and releases the filler, for example, the nanoparticles, which then form a firmly adherent layer on the surface and thereby passivate the insulating coated body. In the case of the above-mentioned EP 1366112 Bl, the formation of the passivation layer takes a long time and the agglomeration is incomplete.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Füll- Stoff für einen Isolierstoff anzugeben, der bei Teilentladungsbeanspruchung und Abbau der polymeren Matrix die Ausbildung einer Erosions-Passivierungsschutzschicht begünstigt. The object of the present invention is therefore to specify a filler for an insulating material which favors the formation of an erosion-passivation protective layer in the event of partial discharge stress and degradation of the polymeric matrix.
Lösung der Aufgabe und Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Isolierstoff, eine Formulierung mit einem Harz und einem darin eingebetteten nanopartikulären Füllstoff umfassend, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff in zumindest bimodaler Größenverteilung vorliegt. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung die Verwendung eines Isolierstoffs nach der Er- findung zum Imprägnieren von Spulenwicklungen in rotierenden elektrischen Maschinen, vorzugsweise in Generatoren. Bevorzugt handelt es sich um einen Isolierstoff, umfassend eine thermisch und/oder durch UV-Licht polymerisierbare Formulierung mit einem darin dispergierten, nanopartikulären Füllstoff, bei dem die Halbwertsbreite der Verteilungskurve, charakterisiert anhand von Transmissionselektronenmikroskopie, größer 1,5 dmax ist. The object and object of the present invention is an insulating material comprising a formulation comprising a resin and a nanoparticulate filler embedded therein, characterized in that the filler is present in at least a bimodal size distribution. In addition, the subject matter of the invention is the use of an insulating material according to the invention for impregnating coil windings in rotating electrical machines, preferably in generators. It is preferably an insulating material comprising a thermally and / or UV-polymerizable formulation having a nanoparticulate filler dispersed therein in which the half-width of the distribution curve, characterized by transmission electron microscopy, is greater than 1.5 d max .
Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist, dass ein ungefüllter oder glimmerbasierter Isolierstoff auf Basis von polymeren Harzen unter Teilentladungsbeanspruchung einen schnellen Abbau der polymeren Matrix zeigt. Durch den Einsatz von erosionsbeständigen Nanopartikeln, wie beispielsweise Aluoxid und Siliziumoxid, kommt es zu deren Freilegung, hervorgerufen durch Polymerdegradation. Mit zunehmender Erosionsdauer er- folgt allmählich die Ausbildung einer fest anhaftenden, flächigen Schicht an der beschichteten Körperoberfläche, bestehend aus einer Schicht freigelegter Nanopartikel . Durch diese in-situ-Passivierung der Oberfläche wird das Polymer unter der Passivierungsschicht vor weiterer Teilentladungserosion geschützt. Die Ausbildung der Passivierungsschicht hängt hierbei in besonderem Maße von der Größe und dem prozentualen Anteil der eindispergierten Nanopartikel ab, da der interpartikuläre Abstand maßgeblich für die Degradation der Polymermatrix zwischen den Nanopartikeln und somit für die zeitliche Ausbildung der Passivierungsschicht ist. General knowledge of the invention is that an unfilled or mica-based insulating material based on polymeric resins under partial discharge stress shows a rapid degradation of the polymeric matrix. Through the use of erosion-resistant nanoparticles, such as alumina and silica, it comes to their exposure, caused by polymer degradation. With increasing erosion time, the formation of a firmly adhering, flat layer on the coated body surface, consisting of a layer of exposed nanoparticles, gradually takes place. This in situ passivation of the surface protects the polymer under the passivation layer from further partial discharge erosion. The formation of the passivation layer in this case depends to a particular extent on the size and the percentage of the dispersed nanoparticles, since the interparticle distance is decisive for the degradation of the polymer matrix between the nanoparticles and thus for the temporal formation of the passivation layer.
Figur 1 zeigt eine schematische Ausbildung der Passivierungsschicht durch Degradation der polymeren Matrix auf einer mit Isolierstoff überzogenen Körperoberfläche. FIG. 1 shows a schematic configuration of the passivation layer by degradation of the polymeric matrix on an insulator-coated body surface.
Figur 2 zeigt die Abhängigkeit der Erosionstiefe von dem Füllstoffgehalt FIG. 2 shows the dependence of the erosion depth on the filler content
Figur 3 zeigt die Partikelgrößenverteilung nach einer bei- spielhaften Ausführungsform der Erfindung FIG. 3 shows the particle size distribution according to an exemplary embodiment of the invention
Figur 4 zeigt eine weitere Partikelgrößenverteilung einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung In Figur 1 sieht man, dass das Modell der Passivierungs- schicht mehrere Stadien bis zur Entstehung einer Schutzschicht durchläuft. In den ersten Prozessen wird das reine Polymer zwischen den Nanopartikel erodiert, was zu einer Konzentration der Nanopartikel führt. Eine weitere Absorption der Energie in Form von Teilentladungen resultiert in einem lokalen Sintervorgang der Nanopartikel . Durch diesen Mechanismus entsteht eine keramische Schicht welche das darunter unerodierte nanopartikuläre Polymer vor weiterer Erosion schützt . FIG. 4 shows a further particle size distribution of an exemplary embodiment of the invention FIG. 1 shows that the model of the passivation layer passes through several stages until the formation of a protective layer. In the first processes, the pure polymer between the nanoparticles is eroded, resulting in a concentration of nanoparticles. Further absorption of the energy in the form of partial discharges results in a local sintering process of the nanoparticles. This mechanism creates a ceramic layer that protects the undoped nanoparticulate polymer from further erosion.
Es konnte gezeigt werden, dass der Einsatz von mindestens zwei verschiedenen Arten und/oder Größen von Nanopartikeln, die sich signifikant in ihrem Partikeldurchmesser unterscheiden, zu Nanocompositen führt, die eine besonders ausgeprägte Erosionsbeständigkeit aufweisen. Eine bimodale Verteilung ist dabei bereits von Vorteil, in anderen Ausführungsformen werden multimodale Partikelfraktionen bevorzugt. It could be shown that the use of at least two different types and / or sizes of nanoparticles, which differ significantly in their particle diameter, leads to nanocomposites, which have a particularly pronounced erosion resistance. A bimodal distribution is already advantageous, in other embodiments, multimodal particle fractions are preferred.
Dies ist in der oben vereinfachten Darstellung der Figur 1 und der Figur 2 zur Ausbildung von Passivierungsschichten schematisch nachvollziehbar. Unter dem Einfluss von Teilentladungen kommt es zu einer Agglomeration der Nanopartikel durch chemische oder physikalische Prozesse, die in einer passivierenden Schutzschicht endet. Durch die Kombination zumindest zweier verschieden dimensionierter Nanopartikel wird dieser Prozess unterstützt, da die Nanopartikel mit geringerem Durchmesser und dementsprechend vergrößerter aktiver Oberfläche unter TE-Einfluss die Agglomeration bzw. die lokalen Sinterprozesse unterstützen und somit schneller zur Ausbildung einer erosionsresistenten Schicht führen. Dies hat den Vorteil, dass die Konzentration an Nanopartikeln mit geringem Durchmesser niedrig gehalten werden kann, was sowohl wirtschaftlich als auch aus chemischer Sicht wertvoll ist, da Eigenschaften wie Viskosität, Reaktivität und Lager- Stabilität besser kontrolliert werden können gleichzeitig die positiven Eigenschaften, wie zum Beispiel große spezifische Oberfläche, kleinerer Nanoparti- kel genutzt werden kann. This is schematically illustrated in the above simplified representation of Figure 1 and Figure 2 for the formation of passivation layers. Under the influence of partial discharges, agglomeration of the nanoparticles occurs through chemical or physical processes, which ends in a passivating protective layer. This process is supported by the combination of at least two differently dimensioned nanoparticles, since the nanoparticles with a smaller diameter and correspondingly increased active surface under TE influence support the agglomeration or local sintering processes and thus lead to the formation of an erosion-resistant layer more quickly. This has the advantage that the concentration of nanoparticles of small diameter can be kept low, which is valuable both economically and chemically speaking, since properties such as viscosity, reactivity and storage stability can be better controlled while the positive properties, such as large specific surface area, smaller Nanoparticles can be used.
Gemäß der Erfindung werden Nanopartikel in einem Harz, beispielsweise einem Epoxidharz dispergiert, die eine minimale Halbwertsbreite der Verteilungskurve von 1,5 dmax enthält. Nach einer Ausführungsform der Erfindung liegt daher die mi- nimale Halbwertsbreite der Verteilungskurve bei 1,55 dmax, insbesondere bei 1,6 dmax oder noch höheren Werten. According to the invention, nanoparticles are dispersed in a resin, for example an epoxy resin, which contains a minimum half-width of the distribution curve of 1.5 dmax . According to one embodiment of the invention, therefore, the minimum half-width of the distribution curve is 1.55 d max , in particular 1.6 d max or even higher values.
Dies beschreibt eine Partikelverteilung die nicht nur eine Größe von Nanopartikel umfasst, sondern mehrere Partikelgrö- ßenfraktionen . This describes a particle distribution that not only covers a size of nanoparticles, but several particle size fractions.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind im Füllstoff die Nanopartikel monodispers dispergiert. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung basieren die Nanopartikel im Füllstoff auf einem Metalloxid, einem Halbmetalloxid und insbesondere bevorzugt auf Siliziumdioxid und/oder Aluminiumoxid. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die polymere Matrix, in der der Füllstoff dispergiert ist, ein Epoxidharz, beispielsweise ein Diglycidylether auf Basis von Bisphenolen, zum Beispiel Bisphenol -A und/oder Bisphenol-F . According to an advantageous embodiment of the invention, the nanoparticles are dispersed monodisperse in the filler. According to a further advantageous embodiment of the invention, the nanoparticles in the filler are based on a metal oxide, a semimetal oxide and particularly preferably on silicon dioxide and / or aluminum oxide. According to a further advantageous embodiment of the invention, the polymeric matrix in which the filler is dispersed is an epoxy resin, for example a diglycidyl ether based on bisphenols, for example bisphenol-A and / or bisphenol-F.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Harz noch einen Härter, beispielsweise einen Säureanhydrid-Härter wie Methyltetrahydrophthalsäureanhydrid und/oder Methylhexa- hydrophthalsäureanhydrid . According to one embodiment of the invention, the resin also comprises a hardener, for example an acid anhydride hardener such as methyltetrahydrophthalic anhydride and / or methylhexa-hydrophthalic anhydride.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfin- dung umfasst das Harz noch einen Beschleuniger, beispielsweise ein Aminderivat und/oder ein Naphthenat . According to a further advantageous embodiment of the invention, the resin also comprises an accelerator, for example an amine derivative and / or a naphthenate.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst der Füllstoff Nanopartikelfraktionen mit Parti- keldurchmesser im Bereich von 1 bis 200 nm, insbesondere von 1 bis 150nm und ganz bevorzugt im Bereich von 1 bis 80 nm. According to a further advantageous embodiment of the invention, the filler comprises nanoparticle fractions with particle diameter in the range from 1 to 200 nm, in particular from 1 to 150 nm and very preferably in the range from 1 to 80 nm.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegt der Füllstoff mit einem mittleren Durchmesser von D50 von 1 bis 500 nm, bevorzugt von 1 bis 300, insbesondere bevorzugt von 1 bis lOOnm vor. According to an advantageous embodiment of the invention, the filler is present with an average diameter of D 50 of from 1 to 500 nm, preferably from 1 to 300, particularly preferably from 1 to 100 nm.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegt der Füllstoff im Isolierstoff in einer Menge von 1 bis 80 Gew%, insbesondere 1 bis 60 Gew% und besonders bevorzugt im Bereich von 1 bis 50Gew% der Gesamtformulierung vor. According to a further advantageous embodiment of the invention, the filler is present in the insulating material in an amount of 1 to 80% by weight, in particular 1 to 60% by weight and more preferably in the range of 1 to 50% by weight of the total formulation.
Durch die Verwendung einer Partikelfraktion mit einer Halbwertsbreite der Verteilungskurve größer 1,5 dmax ergeben sich wesentliche Vorteile sowohl bei der Auswahl und Herstellung der Nanocomposite als auch bei der Qualitätssicherung der Composite. Die Partikeldispersionen werden vorzugsweise durch einen Sol-Gel-Prozess hergestellt. Zur Einstellung der gewünschten Partikelgrößenverteilung kann auch eine Kombination verschiedener Partikeldispersionen erfolgen. Die Charakterisierung der Partikelgröße erfolgt nach dem Stand der Technik, vorzugsweise eine manuelle oder automatische Auswertung des Partikeldurchmessers anhand von Aufnahmen mittels Transmissionselektronenmikroskopie, kurz TEM. The use of a particle fraction with a half-width of the distribution curve greater than 1.5 d max results in significant advantages both in the selection and production of the nanocomposites and in the quality assurance of the composite. The particle dispersions are preferably prepared by a sol-gel process. To set the desired particle size distribution, a combination of different particle dispersions can also be carried out. The characterization of the particle size is carried out according to the prior art, preferably a manual or automatic evaluation of the particle diameter based on images by transmission electron microscopy, TEM for short.
In Figur 3 ist exemplarisch eine Partikelgrößenverteilung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung gezeigt. Das dargestellte Partikelsystem für den Füllstoff wird grafisch wie- dergegeben, indem der prozentuale Anteil der jeweiligen Pul- verfraktion in Intervallen von 1 nm über den Partikeldurchmesser dargestellt wird. Die Partikelmischung zeigt ihr dmax, also den Peak der Verteilungskurve mit dem größten Anteil der entsprechenden Partikelgröße, bei 9 nm. Die Halbwertsbreite der Verteilungskurve ergibt sich aus der Breite der Verteilungskurve in nm bei auf halber Höhe relativ zu dmax . In dieser Partikelzusammensetzung ergibt sich eine Halbwertsbreite der Verteilungskurve von 1,6 dmax . FIG. 3 shows by way of example a particle size distribution of an exemplary embodiment of the invention. The illustrated particulate system for the filler is graphically illustrated. is given by representing the percentage of the respective powder fraction at intervals of 1 nm over the particle diameter. The particle mixture shows its d max , ie the peak of the distribution curve with the largest proportion of the corresponding particle size, at 9 nm. The half-width of the distribution curve results from the width of the distribution curve in nm at half height relative to d max . In this particle composition results in a half-width of the distribution curve of 1.6 d max .
Figur 4 schließlich zeigt eine vergleichbare Darstellung wie Figur 3, allerdings ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein System mit Aluminiumoxidpartikel und Siliziumdioxidpartikel dargestellt wird. Die in Figur 4 darge- stellte Größenverteilung zeigt ein lokales dmax bei 9 nm. Daraus ergibt sich eine Halbwertsbreite der Verteilungskurve von ebenfalls 1,7 dmax . Finally, FIG. 4 shows a comparable representation to that of FIG. 3, however, of another embodiment of the invention, in which a system with aluminum oxide particles and silicon dioxide particles is shown. The size distribution shown in FIG. 4 shows a local d max at 9 nm. This results in a half-width of the distribution curve of likewise 1.7 d max .
Die Erfindung offenbart erstmals einen Isolierstoff mit einem Füllstoff, der nicht nur auf einer monomodalen Nanoparti- kelgrößenverteilung basiert. Dadurch wird die Ausbildung von in- situ-Schutzschichten auf dem zu isolierenden Körper stark begünstigt . The invention discloses for the first time an insulating material with a filler which is not based solely on a monomodal nanoparticle size distribution. This strongly favors the formation of in situ protective layers on the body to be insulated.

Claims

Patentansprüche claims
Isolierstoff, eine Formulierung mit einem Harz und einem darin eingebetteten nanopartikularen Füllstoff umfassend, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff in zumindest bimodaler Größenverteilung vorliegt. Insulating material comprising a formulation with a resin and a nanoparticulate filler embedded therein, characterized in that the filler is present in at least bimodal size distribution.
Isolierstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Formulierung auf einem Harz, wie einem Epoxid harz, basiert, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz thermisch und/oder durch UV-Licht polymerisierbar ist. Insulating material according to claim 1, characterized in that the formulation is based on a resin, such as an epoxy resin, characterized in that the resin is thermally and / or polymerizable by UV light.
3. Isolierstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass der darin dispergierte , na- nopartikuläre Füllstoff in einer Halbwertsbreite der Verteilungskurve, charakterisiert anhand von Transmissionselektronenmikroskopie, von größer 1,5 dmax vorliegt . 3. Insulating material according to one of the preceding claims, characterized in that the nanoparticulate filler dispersed therein is present in a half-width of the distribution curve, characterized by transmission electron microscopy, of greater than 1.5 d max .
4. Isolierstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff mit einem mittleren Durchmesser von D50 von 1 bis 500nm vorliegt. 4. Insulating material according to one of the preceding claims, characterized in that the filler is present with an average diameter of D 50 from 1 to 500 nm.
5. Isolierstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff auf Basis eines Metalloxids und/oder eines Halbmetalloxids vorliegt . 5. Insulating material according to one of the preceding claims, characterized in that the filler is based on a metal oxide and / or a Halbmetalloxids.
6. Isolierstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff in einer Menge von 1 bis 80 Gew% der Formulierung vorliegt. 6. Insulating material according to one of the preceding claims, characterized in that the filler is present in an amount of 1 to 80% by weight of the formulation.
7. Verwendung eines Isolierstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Imprägnieren von Spulenwicklungen in rotierenden elektrischen Maschinen, vorzugsweise in Generatoren . 7. Use of an insulating material according to any one of claims 1 to 6 for impregnating coil windings in rotating electrical machines, preferably in generators.
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