DE102017223876A1 - Winding insulation, electric machine and vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Wicklungsisolation dient zur Isolation einer Wicklung (10) einer elektrischen Maschine und umfasst mindestens eine Isolierschicht (30) mit elektrisch isolierendem Material sowie mit mindestens einer flächig an der Isolierschicht (30) angebundenen Haftschicht (40) mit durchlässiger, insbesondere offenporiger, Gestalt, wobei die mindestens eine Haftschicht (40) und/oder die Isolierschicht (30) mittels eines Katalysators katalysiert ist, der zur Steigerung der Viskosität mindestens eines Imprägniermittels ausgebildet ist.Die elektrische Maschine weist mindestens eine Wicklung (10) auf, welche mit einer solchen Wicklungsisolation (20) versehen ist.Das Fahrzeug ist insbesondere ein hybrid-elektrisches Flugzeug mit einer solchen elektrischen Maschine (120), vorzugsweise mit einem Antrieb (110) mit der elektrischen Maschine (120) .The winding insulation serves to insulate a winding (10) of an electrical machine and comprises at least one insulating layer (30) with electrically insulating material and at least one adhesion layer (40) with a permeable, in particular open-pore, shape attached to the insulating layer (30) the at least one adhesive layer (40) and / or the insulating layer (30) is catalyzed by means of a catalyst which is designed to increase the viscosity of at least one impregnating agent. The electric machine has at least one winding (10) which is provided with such a winding insulation (10). 20). The vehicle is in particular a hybrid electric aircraft with such an electric machine (120), preferably with a drive (110) with the electric machine (120).
Description
Die Erfindung betrifft eine Wicklungsisolation sowie eine elektrische Maschine und ein Fahrzeug.The invention relates to a winding insulation and an electric machine and a vehicle.
Die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer von elektrischen Maschinen hängen unter anderem von der Isolation von Wicklungen der elektrischen Maschine ab:The reliability and service life of electrical machines depends, among other things, on the insulation of windings of the electric machine:
So beeinflusst die Wicklungsisolation insbesondere die mechanische Beständigkeit der Wicklungen, ihre Entwärmung, Medienbeständigkeit und Alterungsbeständigkeit sowie den Schutz der Wicklungen vor Feuchtigkeit und Schmutz. Infolgedessen beeinflusst die Wicklungsisolation die elektrische Kurz- und Langzeitfestigkeit der elektrischen Maschine.In particular, the winding insulation influences the mechanical resistance of the windings, their heat dissipation, media resistance and aging resistance as well as the protection of the windings from moisture and dirt. As a result, the winding insulation affects the electrical short and long term strength of the electric machine.
Standardmäßig wird eine Wicklungsisolation mittels Isolierschichten z.B. auf Basis von Glimmerschichten und/oder polymeren Schichten die auch durch Glas und/oder Kunststofffasern stabilisiert sei und einer Verfüllung der Wicklungsfreiräume mit einem Imprägniermittel vorgenommen. Insbesondere ist es bekannt, das Imprägniermittel mittels Tauchverfahren, Übergießverfahren, Träufelverfahren, Vakuumverfahren, Vakuum-Druck-Verfahren, Strom-UV-Tauch-Imprägnierverfahren oder unter Verwendung von Backlackdrähten auf die Wicklungen aufzubringen. Die Glimmerschichten sind in an sich bekannter Weise katalysiert, sodass eine hohlraumfreie Imprägnierung möglich ist.By default, winding insulation is provided by means of insulating layers e.g. based on mica layers and / or polymeric layers which is also stabilized by glass and / or plastic fibers and a filling of the winding clearances made with an impregnating agent. In particular, it is known to apply the impregnating agent to the windings by means of a dipping method, overmolding method, trickling method, vacuum method, vacuum pressure method, current UV dip impregnation method or using baked enamel wires. The mica layers are catalyzed in a conventional manner, so that a void-free impregnation is possible.
Allerdings lassen sich Glimmerschichten im Mittel- und Niederspannungsbereich nicht sinnvoll oder kosteneffizient verwenden. In diesem Falle kommen regelmäßig Kunststofffolien zum Einsatz, welche jedoch in der Regel nicht katalysierbar sind.However, mica layers in the medium and low voltage range can not be used expediently or cost-effectively. In this case, plastic films are regularly used, which, however, are generally not catalyzable.
Folglich ist die Wicklungsisolation im Mittel- und Niederspannungsbereich, d.h. bei Leistung bis 5 MW und Spannungen bis 6 kV, für die Zuverlässigkeit und Lebensdauer nach wie vor kritisch.Consequently, the winding insulation is in the middle and low voltage range, i. with power up to 5 MW and voltages up to 6 kV, still critical for reliability and service life.
Vor diesem Hintergrund ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Wicklungsisolation anzugeben, welche mit hoher Zuverlässigkeit und Beständigkeit insbesondere im Mittel- und Niederspannungsbereich realisiert werden kann. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte elektrische Maschine und ein elektrisches Fahrzeug mit insbesondere erhöhter Zuverlässigkeit und Lebensdauer anzugeben.Against this background, it is therefore an object of the invention to provide an improved winding insulation, which can be realized with high reliability and durability, especially in the medium and low voltage range. It is another object of the invention to provide an improved electrical machine and an electric vehicle with particular increased reliability and service life.
Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einer Wicklungsisolation mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einer elektrischen Maschine mit den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen und mit einem Fahrzeug mit den in Anspruch 12 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.This object of the invention is achieved with a winding insulation with the features specified in claim 1 and with an electrical machine having the features specified in
Die erfindungsgemäße Wicklungsisolation ist zur Isolation einer Wicklung einer elektrischen Maschine ausgebildet und umfasst mindestens eine Isolierschicht mit elektrisch isolierendem Material sowie mindestens eine flächig an der Isolierschicht angebundene Haftschicht mit durchlässiger, insbesondere offenporiger, Gestalt, wobei die mindestens eine Haftschicht und/oder die Isolierschicht mittels eines Katalysators katalysiert ist, der zur Steigerung der Viskosität mindestens eines Imprägniermittels, insbesondere Imprägnierharzes, ausgebildet ist.The winding insulation according to the invention is designed for insulating a winding of an electrical machine and comprises at least one insulating layer with electrically insulating material and at least one adhered to the insulating layer adhesive layer with permeable, especially porous, shape, wherein the at least one adhesive layer and / or the insulating layer by means of a Catalyst is catalyzed, which is designed to increase the viscosity of at least one impregnating agent, in particular impregnating resin.
Unter einer durchlässigen Gestalt ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Gestalt mit einer Mehrzahl von Durchlässen zu verstehen. Erfindungsgemäß sind die Durchlässe fluiddurchlässig, insbesondere durchlässig für ein Imprägniermittel wie vorzugsweise Imprägnierharz.In the context of the present invention, a permeable shape is understood to mean a shape with a plurality of passages. According to the passages are permeable to fluid, in particular permeable to an impregnating agent such as preferably impregnating resin.
Zweckmäßig haben die Durchlässe in zumindest in einer Richtung und vorzugsweise über sämtliche Richtungen arithmetisch oder geometrisch gemittelt eine Gesamtweite von zumindest 3, vorzugsweise zumindest 10 und idealerweise von zumindest 30 Mikrometern. In dieser Weiterbildung sind die Durchlässe für das Imprägniermittel hinreichend durchlässig.Suitably, the passages in at least one direction and preferably arithmetically or geometrically averaged over all directions have a total width of at least 3, preferably at least 10 and ideally at least 30 micrometers. In this development, the passages for the impregnating agent are sufficiently permeable.
Insbesondere dienen die Durchlässe und insbesondere Poren dazu, dass der Katalysator fixiert wird. Auf diese Weise kann der Katalysator auch an glatten Oberflächen von Isolierschichten angebunden sein.In particular, the passages and in particular pores serve to fix the catalyst. In this way, the catalyst can also be attached to smooth surfaces of insulating layers.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Wicklungsisolierungen stellt eine hohlraumfreie Applikation des Imprägniermittels hinsichtlich dessen Viskosität eine Herausforderung dar. Denn zum einen muss das Imprägniermittel eine hinreichend geringe Viskosität aufweisen um die Hohlräume, welche sich typischerweise zwischen der Isolierschicht und den zu isolierenden Leitern ergeben, auszufüllen. Zum anderen muss die Viskosität des Imprägniermittels hinreichend hoch sein, dass dieses nicht wieder aus dem System herausläuft.In the case of winding insulations known from the prior art, a cavity-free application of the impregnating agent is a challenge with regard to its viscosity. First, the impregnating agent must have a sufficiently low viscosity to fill in the cavities which typically arise between the insulating layer and the conductors to be insulated , On the other hand, the viscosity of the impregnating agent must be sufficiently high that it does not run out of the system again.
Während bei bekannten Lösungen die Isolierschicht nur im Falle von Glimmer zuverlässig katalysiert werden kann, ist erfindungsgemäß eine Katalysierung, d.h. ein Versehen mit dem Katalysator, auch im Falle von im Mittel- oder Niederspannungsbereich typischerweise eingesetzten Isolierschichten möglich. Denn während bei bekannten Lösungen eine Katalysierung aufgrund der glatten Oberfläche von Isolierschichten in Gestalt von Polyester und/oder Polyimid und/oder Aramid und/oder von mittels Klebstoff verbundenen Mehrschichtlaminaten scheitert, ist erfindungsgemäß eine Katalysierung auch bei solchen Isolierschichten leicht möglich. Denn an der erfindungsgemäß vorgesehenen Haftschicht mit durchlässiger, insbesondere offenporiger, Gestalt kann aufgrund der Durchlässe ein Katalysator zur Modifikation von Imprägniermittel leicht anhaften.While in known solutions, the insulating layer can be reliably catalyzed only in the case of mica, according to the invention a catalyzation, ie an oversight with the catalyst, even in the case of insulating layers typically used in the medium or low voltage range possible. Because while in known solutions catalyzing due to the smooth surface of insulating layers in the form of polyester and / or polyimide and / or aramid and / or by means of Adhesive associated multilayer laminates fails, according to the invention, a catalyzation is easily possible even with such insulating layers. Because of the inventively provided adhesive layer with permeable, especially open-pored, shape can easily adhere due to the passages, a catalyst for the modification of impregnating agent.
Bevorzugt ist bei der erfindungsgemäßen Wicklungsisolation die durchlässige Gestalt nicht allein eine offenporige, sondern auch eine offenzellige Gestalt. In dieser Weiterbildung kann oder können der Katalysator und/oder das Imprägniermittel die offenzellige Gestalt leicht durchsetzen und weist zugleich eine besonders große Anlagefläche der Haftschicht auf, sodass eine besonders stark katalysierte Haftschicht fertigbar ist.In the case of the winding insulation according to the invention, the permeable shape is preferably not only an open-pore, but also an open-cell shape. In this development, the catalyst and / or the impregnating agent can or can readily penetrate the open-cell shape and at the same time has a particularly large contact surface of the adhesive layer, so that a particularly strongly catalyzed adhesive layer can be manufactured.
In dieser Weiterbildung der Erfindung kann sich das Imprägnierharz und/oder der Katalysator vorteilhaft nicht allein in oberflächennahen Bereichen an der Haftschicht anlagern. Aufgrund der in dieser Weiterbildung möglichen Durchdringung der Haftschicht kann sich das hochviskose oder ausgehärtete Imprägniermittel vielmehr derart stark mit der Haftschicht verzahnen, dass die erfindungsgemäße Wicklungsisolation robust und delaminationsfrei ausbildbar ist. Vorzugsweise ist die Haftschicht auch in innenliegenden Bereichen, d.h. nicht allein an oberflächennahen Bereichen der Haftschicht, katalysiert.In this development of the invention, the impregnating resin and / or the catalyst can advantageously not be deposited on the adhesive layer in near-surface areas alone. On the basis of the possible penetration of the adhesive layer in this development, the highly viscous or cured impregnating agent can rather intermesh with the adhesive layer so strongly that the winding insulation according to the invention can be made robust and without delamination. Preferably, the adhesive layer is also in internal regions, i. not only at near-surface areas of the adhesive layer, catalyzed.
In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Wicklungsisolation weist diese mindestens zwei flächig an der Isolierschicht angebundene Haftschichten auf. Auf diese Weise lässt sich die Wicklungsisolation beidseitig und somit besonders flexibel bei unterschiedlichsten Wicklungsgeometrien einsetzen.In a preferred development of the winding insulation according to the invention, the latter has at least two adhesive layers which are bonded to the insulating layer in a planar manner. In this way, the winding insulation can be used on both sides and thus particularly flexible in a wide variety of winding geometries.
Zweckmäßig ist bei der erfindungsgemäßen Wicklungsisolation die mindestens eine Haftschicht mittels eines Gewebes und/oder eines Filzes und/oder eines Schaums und/oder eines Schwamms gebildet. Mittels Geweben, Filzen, Schäumen oder Schwämmen lassen sich leicht durchlässige und auch offenporige oder sogar offenzellige Strukturen realisieren, ohne dass aufwendige Verfahren zur Mikrostrukturierung o.ä. zum Einsatz kommen müssen. Zweckmäßig ist im Falle eines Gewebes dieses Gewebe mittels eines Glasgewebes realisiert. Glasgewebe ist kommerziell erhältlich, sodass die erfindungsgemäße Wicklungsisolation ressourcenarm herstellbar ist.Suitably, in the case of the winding insulation according to the invention, the at least one adhesive layer is formed by means of a fabric and / or a felt and / or a foam and / or a sponge. By means of fabrics, felts, foams or sponges, it is possible to realize easily permeable and also open-pored or even open-celled structures without the need for complicated microstructuring processes or the like. must be used. Appropriately, in the case of a tissue, this tissue is realized by means of a glass fabric. Glass fabric is commercially available, so that the winding insulation according to the invention can be produced with low resources.
Bei der erfindungsgemäßen Wicklungsisolation ist die mindestens eine Haftschicht vorzugsweise mit elektrisch isolierendem Material, insbesondere mit Glas und/oder Aluminiumoxid und/oder Keramik, gebildet. Im Falle einer mit Glas gebildeten Haftschicht ist die Haftschicht insbesondere mit Glasgewebe gebildet. Glas ist kostengünstig und weist vorteilhaft hinreichende elektrische Isolationseigenschaften auf.In the case of the winding insulation according to the invention, the at least one adhesion layer is preferably formed with electrically insulating material, in particular with glass and / or aluminum oxide and / or ceramic. In the case of an adhesive layer formed with glass, the adhesive layer is formed in particular with glass fabric. Glass is inexpensive and advantageously has sufficient electrical insulation properties.
Geeigneterweise ist bei der erfindungsgemäßen Wicklungsisolation die Isolierschicht als Folie ausgebildet. Auf diese Weise kann die Wicklungsisolation flexibel unterschiedlichsten Wicklungsgeometrien angepasst sein.Suitably, in the case of the winding insulation according to the invention, the insulating layer is formed as a foil. In this way, the winding insulation can be flexibly adapted to a wide variety of winding geometries.
Bevorzugt weist bei der Wicklungsisolation gemäß der Erfindung die Isolierschicht Polyester und/oder Pomyimid und/oder Aramid und/oder, insbesondere mit Klebstoff verbundene/s, Mehrschichtlaminat/e und/oder Kapton auf oder weist mehrere der vorgenannten Materialien auf.Preferably, in the case of the winding insulation according to the invention, the insulating layer comprises polyester and / or pomyimide and / or aramid and / or multi-layer laminate / s and / or Kapton, in particular adhesively bonded, or comprises several of the abovementioned materials.
In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Wicklungsisolation ist der Katalysator mit einem Salz und/oder Sikkativ, insbesondere mit einem Metall-Naphthenat oder Metall-Octoat, vorzugsweise Zink-Naphthenat und/oder Zink-Octoat und/oder einer Mischung mit einem oder mehreren der vorgenannten Materialien, gebildet.In a preferred development of the winding insulation according to the invention, the catalyst is with a salt and / or siccative, in particular with a metal naphthenate or metal octoate, preferably zinc naphthenate and / or zinc octoate and / or a mixture with one or more of the abovementioned Materials, formed.
Vorzugsweise ist die Wicklungsisolation mit einem Imprägniermittel, insbesondere einem Imprägnierharz wie oben beschrieben, imprägniert.Preferably, the winding insulation is impregnated with an impregnating agent, in particular an impregnating resin as described above.
Zweckmäßig ist bei der erfindungsgemäßen Wicklungsisolation das Imprägniermittel mit einem elektrisch isolierenden Füllstoff versetzt, insbesondere mit Siliziumdioxid und/oder Aluminiumoxid und/oder Keramik, wobei der Füllstoff insbesondere Partikel, vorzugsweise mit einem Radius von mindestens 5 Nanometern und/oder höchstens 500 Mikrometer, aufweist. In dieser Weiterbildung der Erfindung kann die Wärmeleitfähigkeit der Wicklungsisolation vorteilhaft erhöht sein.Suitably, in the case of the winding insulation according to the invention, the impregnating agent is mixed with an electrically insulating filler, in particular with silicon dioxide and / or aluminum oxide and / or ceramic, the filler in particular having particles, preferably with a radius of at least 5 nanometers and / or at most 500 micrometers. In this embodiment of the invention, the thermal conductivity of the winding insulation can be advantageously increased.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist mindestens eine Wicklung auf, die mit einer Wicklungsisolation wie oben beschrieben versehen ist.The electrical machine according to the invention has at least one winding, which is provided with a winding insulation as described above.
Bevorzugt weist die erfindungsgemäße elektrische Maschine mindestens zwei Wicklungen oder die mindestens eine Wicklung zumindest zwei Windungen auf, wobei bei der elektrischen Maschine die Wicklungsisolation zumindest zwischen den zumindest zwei Wicklungen oder zwei Windungen der mindestens einen Wicklung angeordnet ist.The electric machine according to the invention preferably has at least two windings or the at least one winding at least two windings, wherein in the electric machine the winding insulation is arranged at least between the at least two windings or two windings of the at least one winding.
Das erfindungsgemäße Fahrzeug ist insbesondere ein Landfahrzeug, zweckmäßig ein Automobil oder ein Schienenfahrzeug, etwa ein Zug oder eine Bahn, oder ein elektrisches oder hybrid-elektrisches Flugzeug. Das erfindungsgemäße Fahrzeug weist eine elektrische Maschine wie oben beschrieben auf. Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Fahrzeug einen Antrieb mit der elektrischen Maschine auf.The vehicle according to the invention is in particular a land vehicle, suitably an automobile or a rail vehicle, such as a train or a train, or an electric or hybrid-electric aircraft. The vehicle according to the invention has an electric machine as described above. Preferably, the inventive Vehicle a drive with the electric machine on.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert:The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment shown in the drawing:
Es zeigen:
-
1 zwei Wicklungen einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit einer zwischenliegenden erfindungsgemäßen Wicklungsisolation schematisch im Querschnitt, -
2 eine Haftschicht der Wicklungsisolation gem.1 schematisch in einer Draufsicht, sowie -
3 ein erfindungsgemäßes hybrid-elektrisches Flugzeug mit einem Antrieb mit einer elektrischen Maschine mit der Wicklungsisolation gem.1 und2 schematisch in einer Prinzipskizze.
-
1 two windings of an electrical machine according to the invention with an intermediate winding insulation according to the invention schematically in cross-section, -
2 an adhesive layer of the winding insulation acc.1 schematically in a plan view, as well -
3 an inventive hybrid-electric aircraft with a drive with an electric machine with the winding insulation acc.1 and2 schematically in a schematic diagram.
Die in
Die Wicklungsisolation
Die Isolierfolie
Das Glasgewebe
Das Glasgewebe
Das Glasgewebe
In einem weiteren, nicht eigens dargestellten, Ausführungsbeispiel, welches im Übrigen dem dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht, kann die Haftschicht auch auf andere Weise ausgebildet sein: Beispielsweise ist anstelle eines Glasgewebes
In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen, welche im Übrigen dem Dargestellten entsprechen, ist anstelle eines Epoxidharzes ein sonstiges Imprägniermittel vorhanden.In other, not specifically illustrated embodiments, which otherwise correspond to what is shown, instead of an epoxy resin, another impregnating agent is present.
Das in
In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen ist anstelle des erfindungsgemäßen hybrid-elektrischen Flugzeugs
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