專利名稱：用于旋轉電機的絕緣的制作方法
用于旋轉電機的絕緣
本發(fā)明涉及以含有納米顆粒填料的浸潰樹脂為基礎的用于旋轉電機的絕緣。
在旋轉電機，例如發(fā)動機或發(fā)電機中，絕緣體系的可靠性決定性地負責其操作安全性。絕緣體系的任務是使電導體(導線、線圈、棒)持久地相互絕緣和與定子鐵芯或周圍環(huán)境絕緣。在高電壓絕緣內部區(qū)分為繞組線段之間的絕緣(繞組線段絕緣)、導體或線匝之間的絕緣(導體或線匝絕緣)和在槽銑頭和繞組端部區(qū)域中導體和外殼電位 (Massepotenzial)之間的絕緣(主絕緣)。主絕緣的厚度既與機器的額定電壓匹配，又與操作條件和制備條件匹配。能量生產設備的競爭力、其分布和應用決定性地取決于絕緣所使用的材料和所應用的技術。
這種帶電的絕緣體中的基本問題在于所謂的部分放電誘發(fā)的腐蝕，由其形成的所謂的“樹形”通道，它們最終導致絕緣體被電擊穿。在此背景情況下，現(xiàn)有技術是，使用基于云母的絕緣用于持久地將在旋轉機器(發(fā)動機、發(fā)電機、渦輪發(fā)電機、水力發(fā)電機、風力發(fā)電機)中的定子的帶電壓導體絕緣?，F(xiàn)今在高壓和中壓發(fā)動機和發(fā)電機中使用層狀的云母絕緣。其中由絕緣的繞組線段制成的成型線圈用云母帶纏繞并優(yōu)先地在真空-壓力-工藝 (VPI=真空壓力浸潰)中用合成樹脂浸潰。在此過程中，云母以云母紙的形式使用，其中在浸潰意義上，在云母紙中各個顆粒之間的空隙用樹脂填充。浸潰樹脂和云母的載體材料的復合體提供了絕緣的機械強度。耐電強度由所用云母的大量固-固界面得來。所生成的有機和無機材料層形成微觀界面，其對部分放電和熱應力的耐受性由云母片的性質確定。絕緣中甚至最小的空隙也必須通過復雜的VPI工藝用樹脂填充，以便將內部的氣-固界面的數(shù)目最小化。
為了進一步改善耐受性，已描述使用納米顆粒填料。從文獻(和通過使 用云母的經驗)已知的是，無機顆粒與聚合物絕緣材料相反，在部分放電作用下不會受到損害或被破壞，或只在很有限的范圍內受損害或被破壞。其中所得的抑制腐蝕的作用尤其取決于顆粒直徑和由其獲得的顆粒表面。在此過程中表明，顆粒的比表面積越大，對顆粒的腐蝕抑制作用越大。無機納米顆粒具有50g/m2或更大的很大的比表面積。
這種已知體系的缺點是， 浸潰樹脂的粘度由于使用了納米顆粒的填料而提高，由此使云母的徹底浸潰變得困難。 納米顆粒大的比表面積在貯存和工藝進行期間會引發(fā)浸潰樹脂發(fā)生(部分)聚合，由此其粘度強烈升高，使得對云母的浸潰進一步困難。
例如，在標準體系(BADGE/酐(Anhydrid))中的起始粘度為大約15_20mPas (在 60V)。在納米顆粒的填充度為大約23重量％時，如對于顯著改善耐電強度所必需的那樣， 粘度升高到>80mPas的值并因此使對云母的浸潰困難，尤其是當該值由于體系貯存而隨時間流逝而升高時更是如此。
因此本發(fā)明的目的是，創(chuàng)造一種用于將基于云母的絕緣浸潰的復合材料，該復合材料盡管使用了納米顆粒填料，仍具有相對低的粘度，優(yōu)選地低于50mPas的粘度，特別地作為起始粘度。
該目的通過權利要求的主題結合說明書和附圖被公開。
本發(fā)明的一般性認識是，納米顆粒對整個基質的反應活性決定性地影響其粘度。
因此，能夠發(fā)現(xiàn)，當使用一種或多種硅烷化試劑作為納米顆粒的二氧化硅和/或氧化鋁的改性物時，在用于制備用于基于云母的絕緣的浸潰樹脂的環(huán)氧樹脂/酐混合物中使用改性納米顆粒二氧化硅，使粘度，特別是起始粘度，在高的填充度時保持相對較低。優(yōu)選地，這種試劑具有至少一個與顆粒表面反應而斷裂掉的官能團。
優(yōu)選地，在浸潰樹脂中存在含有3-60重量％，特別是含有5-40重量％的納米顆粒填料的環(huán)氧樹脂/酐混合物。例如，選自以下組的化合物用作硅烷化試劑三甲基甲氧基硅烷、甲基氫二甲氧基娃燒、_■甲基_■甲氧基娃燒、乙基二甲氧基娃燒、乙基二乙酸氧基娃燒、丙基二甲氧基娃烷、二異丙基二甲氧基硅烷，氯異丁基甲基二甲氧基硅烷、三氟丙基三甲氧基硅烷、三氟丙基甲基二甲氧基硅烷、異丁基三甲氧基硅烷、正丁基三甲氧基硅烷、正丁基甲基二甲氧基硅燒、苯基二甲氧基娃燒、苯基二甲氧基娃燒、苯基甲基_■甲氧基娃燒、二苯基娃燒醇、正己基三甲氧基硅烷、正辛基三甲氧基硅烷、異辛基三甲氧基硅烷、癸基三甲氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷、環(huán)己基甲基二甲氧基硅烷、環(huán)己基乙基二甲氧基硅烷、辛基環(huán)戊基二甲氧基娃燒、叔丁基乙基_■甲氧基娃燒、叔丁基丙基_■甲氧基娃燒、_■環(huán)己基_■甲氧基娃燒、疏基丙基二甲氧基娃燒、疏基丙基甲基_■甲氧基娃燒、雙(二乙氧基甲娃燒基丙基)_■硫化物、 雙(二乙氧基甲娃燒基丙基)四硫化物、氣基丙基二甲氧基娃燒、間氣基苯基二甲氧基娃燒、氣基丙基甲基~■乙氧基娃燒、苯基氣基丙基二甲氧基娃燒、氣基乙基氣基丙基二甲氧基硅烷、氨基乙基氨基丙基甲基二甲氧基硅烷、環(huán)氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷、環(huán)氧丙氧基丙基甲基二甲氧基硅烷、環(huán)氧環(huán)己基乙基三甲氧基硅烷、Y -甲基丙烯酰氧基丙基三乙酰氧基娃燒、乙稀基二乙酸氧基娃燒、乙稀基二甲氧基娃燒、甲基乙稀基_■甲氧基娃燒、乙稀基_■ 甲基甲氧基娃燒、~■乙稀基_■甲氧基娃燒、乙稀基二(2_甲氧基乙氧基)娃燒、己稀基二甲氧基硅烷、Y -甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、乙烯基芐基乙二胺-丙基三甲氧基硅烷、乙烯基芐基乙二胺丙基三甲氧基硅烷-鹽酸鹽、烯丙基乙二胺丙基三甲氧基硅烷、烯丙基三甲氧基硅烷、烯丙基甲基二甲氧基硅烷、烯丙基二甲基甲氧基娃燒和己稀基二甲氧基娃燒、甲基二甲氧基娃燒、二甲基甲氧基娃燒、_■甲基_■甲氧基娃燒、二甲基氣娃燒、乙氧基二甲基娃燒、乙稀基二甲氧基娃燒、二甲基氣娃燒、二氣娃燒、 溴三甲基硅烷、八甲基三硅氧烷、四甲基二硅氧烷、六甲基二硅氧烷。這些試劑可以單獨地或以任意的混合物形式使用。
基于二氧化硅或氧化鋁的納米顆粒例如在含水或有機介質中進行改性。
在此過程中，所述硅烷化試劑在有機或含水介質中與顆粒反應。
根據本發(fā)明的一個有利的實施方式，所述反應這樣進行，即將表面盡可能定量地飽和并由此將納米顆粒的反應活性大大降低。
根據一個實施方式，納米顆粒的表面進行改性，使得由此填充的浸潰樹脂具有單分散性的納米顆粒分布。
根據另一個實施方式，所述納米顆粒具有低于50nm的初級粒度 (Primarkorngrosse)0
填充的浸潰樹脂的低起始粘度通過在一種低粘度的芳族環(huán)氧樹脂，優(yōu)選一種例如在60°C下粘度小于120mPas，優(yōu)選地小于90mPas和特別優(yōu)選60mPas的基于BFDGE和/或 BADGE (雙酚A 二環(huán)氧甘油醚和/或雙酚F 二環(huán)氧甘油醚)的環(huán)氧樹脂中使用經涂覆的顆粒而獲得。
根據一個優(yōu)選的實施方式，向低粘度的芳族環(huán)氧樹脂中還添加反應性稀釋劑。優(yōu)選地，所述反應性稀釋劑的添加量為1-20體積％，特別優(yōu)選2-15體積％和非常特別為2-10體積％。
有利地，還選擇一種用于將對整個基質僅產生很小負擔的涂覆顆粒引入的方法。 因此，例如將所述環(huán)氧樹脂攪拌加入到在溶劑例如有機溶劑中存在的納米顆粒填料的混合物中。隨后，將所述有機溶劑在負壓下借助于要么在較低溫度下的蒸餾、噴霧干燥和/或薄層蒸餾而分離。
通過根據本發(fā)明在用于制備基于云母的高電壓絕緣的浸潰樹脂中使用經涂覆的納米顆粒，可以實現(xiàn)具有期間尚未達到的性能的高電壓絕緣。
首先與現(xiàn)有技術(例如Micalastic)相比，絕緣的耐電強度提高>5的因子。對纏繞的勒貝爾桿或線圈借助于在2UN-4UN的測試電壓下的使用壽命電氣試驗進行所述表征。 這使得可以證實在發(fā)電機/發(fā)動機工作時在額定電壓下升高的使用壽命。
此外，有充足的貯存穩(wěn)定性，使得允許納米顆粒的浸潰樹脂多次地用于浸潰基于云母的絕緣。這是通過低的并跨許多次浸潰恒定的粘度實現(xiàn)的，該粘度僅僅要求以每次浸潰過程所消耗的量添加新的浸潰樹脂。這一體積相應于每次浸潰過程大約1-5%的總浸潰樹脂體積 。SiO2顆粒的初級粒度優(yōu)選為低于50nm。良好的貯存穩(wěn)定性，例如納米顆粒/環(huán)氧樹脂/酐混合物在70°C下的貯存導致在10天后粘度為300mPas的最大值，在不存在催化劑下會帶來體系的低反應活性。
最后，同樣地，通過涂覆納米顆粒和使用BFDGE和/或BADGE與反應性稀釋劑如縮水甘油醚的可能結合，達到了在60°C例如<60mPas的低起始粘度。此外，反應性稀釋劑的實例是己二醇-1，6-二環(huán)氧甘油醚、六氫鄰苯二甲酸二環(huán)氧甘油酯、2-乙基己基縮水甘油醚、1，4- 丁烷二環(huán)氧甘油醚、三羥甲基丙烷三縮水甘油醚、聚丙二醇二環(huán)氧甘油醚。
工作實施例在使用納米顆粒填料結合當前使用的基于云母的絕緣材料時表現(xiàn)出了納米技術的潛力。為此，在電場負載直至電擊穿下測量試驗試樣的使用壽命，該試驗試樣以縮小的形式在水力發(fā)電機或渦輪發(fā)電機的定子中絕緣的銅導體方面相應于現(xiàn)有技術。因為絕緣體系在工作壓力下的耐電強度為幾十年，在過高幾倍的電場強度下進行耐久電試驗。下列圖表描繪了在三個不同的電場負載下分別對于標準絕緣體系(云母)和納米顆粒填充的絕緣體系(納米絕緣)的各七個試樣的耐電使用壽命平均值。


圖1顯示了未填充的和用納米顆粒填充的高電壓絕緣體系的使用壽命曲線圖。
對比各集體(Kollektive)的使用壽命，表明使用壽命的改善達到了 5-10倍。兩個使用壽命曲線具有相同的斜率，從而似乎允許將使用壽命的延長直接轉用到工作條件上。
這只有通過具有低起始粘度和良好貯存穩(wěn)定性(貯存在70°C )的浸潰樹脂才有可倉泛。
除了反應活性降低，所述貯存穩(wěn)定性也可以通過起始粘度降低而受到積極影響。 為此提供了不同的涂覆措施。圖5中描繪了通過使用雙酚F 二環(huán)氧甘油醚(BFDGE)作為迄今標準使用的BADGE的替代物的起始粘度降低對粘度曲線的影響。以如下形式進行引入 Nanoresins 公司的 Nanopox E500 (37. 5 重量 ％ 的 SiO2, 25nm,在 BFDGE 中) 真空中和溫度下干燥 用單官能的硅烷(例如ETMS)進行飽和 l%Byk W985。
圖2顯示了基于有和沒有添加使用BYK 985的BFDGE的所選體系貯存穩(wěn)定性的對比。
圖的對比表明，使用納米顆粒BFDGE (Nanopox E 500)導致預期的起始粘度降低， 并通過干燥、用ETMS飽和以及隨后加入BYK W 985，達到了 28天的貯存穩(wěn)定性(參比值 3500mPas)。
制備的基于BFDGE或BADGE的納米復合物(Si02，IOnm)特征在于在與硬化劑的混合物中有低的起始粘度和低的反應活性。
圖3和4 一方面顯示了制備的復合物的起始粘度和另一方面是基于BFDGE與 MHHPA混合的不同復合物的貯存穩(wěn)定性。
本發(fā)明涉及以基于BFDGE或BADGE作為浸潰樹脂基質的含有納米顆粒填料的低粘度芳族環(huán)氧樹脂為基礎的用于旋轉電機的絕緣。根據本發(fā)明，所述納米顆粒填料在反應活性、粘度和粒度上針對樹脂基質進行調準，使得在聚合 時的反應機理至少不會被所述納米顆粒所促進。
權利要求
1.基于云母的浸潰樹脂，包括環(huán)氧樹脂/酐混合物和納米顆粒填料，其中所述納米顆粒填料是用硅烷化試劑改性的納米顆粒二氧化硅和/或氧化鋁。
2.根據權利要求1的浸潰樹脂，其中存在含有3-60重量％量的納米顆粒填料的環(huán)氧樹脂/酐混合物。
3.根據前述權利要求之一的浸潰樹脂，使用BFDGE或BADGE，其中添加反應性稀釋劑。
4.根據前述權利要求之一的浸潰樹脂，其中添加1-20體積％的反應性稀釋劑。
5.根據前述權利要求之一的浸潰樹脂，其中所述硅烷化試劑是選自如下組的化合物二甲基甲氧基娃燒、甲基氣~■甲氧基娃燒、_■甲基_■甲氧基娃燒、乙基二甲氧基娃燒、乙基三乙酰氧基硅烷、丙基三甲氧基硅烷、二異丙基二甲氧基硅烷、氯異丁基甲基二甲氧基硅烷、三氟丙基三甲氧基硅烷、三氟丙基甲基二甲氧基硅烷、異丁基三甲氧基硅烷、正丁基三甲氧基娃燒、正丁基甲基~■甲氧基娃燒、苯基二甲氧基娃燒、苯基二甲氧基娃燒、苯基甲基二甲氧基娃燒、二苯基娃燒醇、正己基二甲氧基娃燒、正羊基二甲氧基娃燒、異羊基二甲氧基硅烷、癸基三甲氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷、環(huán)己基甲基二甲氧基硅烷、環(huán)己基乙基二甲氧基硅烷、辛基環(huán)戊基二甲氧基硅烷、叔丁基乙基二甲氧基硅烷、叔丁基丙基二甲氧基娃燒、_■環(huán)己基_■甲氧基娃燒、疏基丙基二甲氧基娃燒、疏基丙基甲基_■甲氧基娃燒、雙 (二乙氧基甲娃燒基丙基)_■硫化物、雙(二乙氧基甲娃燒基丙基)四硫化物、氣基丙基二甲氧基娃燒、間氣基苯基二甲氧基娃燒、氣基丙基甲基~■乙氧基娃燒、苯基氣基丙基二甲氧基娃燒、氣基乙基氣基丙基二甲氧基娃燒、氣基乙基氣基丙基甲基_■甲氧基娃燒、環(huán)氧丙氧基丙基二甲氧基娃燒、環(huán)氧丙氧基丙基甲基~■甲氧基娃燒、環(huán)氧環(huán)己基乙基二甲氧基娃燒、 Y -甲基丙烯酰氧基丙基三乙酰氧基硅烷、乙烯基三乙酰氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、 甲基乙稀基_■甲氧基娃燒、乙稀基_■甲基甲氧基娃燒、_■乙稀基_■甲氧基娃燒、乙稀基二 (2-甲氧基乙氧基)硅烷、己烯基三甲氧基硅烷、Y -甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、乙烯基芐基乙二胺丙基三甲氧基硅烷、乙烯基芐基乙二胺丙基三甲氧基硅烷-鹽酸鹽、烯丙基乙二胺丙基三甲氧基硅烷、烯丙基三甲氧基硅烷、烯丙基甲基_■甲氧基娃燒、稀丙基_■甲基甲氧基娃燒和己稀基二甲氧基娃燒，單獨地或以任意混合物形式。
6.制備根據前述權利要求1-5之一的浸潰樹脂的方法，包括如下方法步驟。
7.根據前述權利要求之一的浸潰樹脂用于將旋轉電機例如發(fā)動機和發(fā)電機絕緣的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及以含有納米顆粒填料的浸漬樹脂為基礎的用于旋轉電機的具有提高的電使用壽命的基于云母的絕緣。根據本發(fā)明，所述浸漬樹脂和納米顆粒填料在反應活性、粘度和粒度上針對用于云母浸漬的要求進行調準，使得在工藝進行(浸漬、聚合、貯存)時的反應機理至少不會被所述納米顆粒顯著影響。
文檔編號H01B3/00GK103003345SQ201180036964
公開日2013年3月27日 申請日期2011年6月30日 優(yōu)先權日2010年7月29日
發(fā)明者P.格勒佩爾, C.邁希斯納, I.里特貝格 申請人:西門子公司