ИЗОЛЯЦИОННАЯ СИСТЕМА, ЕЕ ПРИМЕНЕНИЯ, А ТАКЖЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 2020 года по МПК H01B3/40 H02K3/30 H02K15/12 

Изобретение относится к изоляционной системе электрической машины, к не содержащей ангидридов пропиточной смоле, и содержащей катализатор, а также к ее применению, в частности, к изоляционной системе с катализатором нового типа.

Электрические машины, в частности вращающиеся электрические машины, содержат электрическую обмотку внутри пакета железа статора. Обмотка состоит из электрических проводников (которые в известных случаях уже снабжены первичной изоляцией) и твердых изоляционных материалов в качестве основной изоляции. Без дополнительных мер между пакетом железа статора, проводниками и основной изоляцией отсутствует плотное соединение, так что образуются щели и пустоты. При работе в атмосферных условиях эти области были бы заполнены воздухом. Это недопустимо, в частности, при применении в зоне высокого напряжения, так как неполные электрические разрядки в кратчайший срок привели бы к разрушению изоляции. Это ведет к выходу из строя электрической машины.

Чтобы создать плотное соединение и вытеснить воздух, обмотку пропитывают отверждающейся пропиточной смолой или пропиточным лаком, которые отверждают термически в печи с циркуляцией воздуха. Твердые изоляционные материалы могут при этом быть выполнены пористыми, чтобы повысить поглощение связующей или пропиточной смолы. Примерами этого являются слюдяные ленты, изоляционная бумага или нетканые материалы.

Для пропитки машин с номинальными напряжениями больше или равными 1 кВ, известны изоляционные системы из твердых изоляционных материалов, пропиточной смолы, состоящей из базовой смолы и отверждающих компонентов, которые применяются в способе вакуум-пропитки (VPI). До настоящего времени для этого использовали ангидриды кислот, которые служат отвердителем и одновременно снижают вязкость, что ведет к быстрой и полной пропитке материала.

Однако смеси из EP-смол и известных отверждающих компонентов отверждаются при повышенной температуре не самопроизвольно, но требуют способствующего отверждению ускорителя или катализатора. Катализаторами, применяющимися в соответствии с уровнем техники, являются третичные амины, четвертичные ониевые соли или нафтенат цинка, известные из заявок DE3824254A1, DE3003477A1 и/или WO 00/24006.

Из документа DE 102014219844.5 известна изоляционная система с твердыми изоляционными материалами и пропиточной смолой, причем пропиточная смола содержит любую реактивную смолу с оксирановыми функциональными группами или смесь разных реактивных смол с оксирановыми функциональными группами, и в изоляционной системе присутствует по меньшей мере один термоактивируемый и/или инкапсулированный катализатор отверждения.

Изоляционная система согласно изобретению содержит пропиточную смолу, содержащую одну или несколько базовых смол, а также один или несколько катализаторов отверждения, например, отложенный ускоритель, который находится в твердом пористом изоляционном материале, и какой-то другой катализатор.

Чтобы обеспечить максимально высокую стабильность при хранении пропиточной смолы, катализатор отверждения, который в конечном счете инициирует полимеризацию, предпочтительно добавляют в обычную пропиточную смолу не напрямую, а введенным в твердые пористые изоляционные материалы основной изоляции (как, например, слюдяные ленты). Этот тип катализатора отверждения будет далее называться отложенным ускорителем. Отложенный ускоритель соприкасается с пропиточной смолой только во время пропитки.

Это означает, что согласно уровню техники, при наличии исключительно отложенного ускорителя только часть пропиточной смолы будет контактировать с катализатором, который впитался в основную изоляцию обмотки.

Однако часть пропиточной смолы, которая остается вблизи поверхности, не имеет никакого или имеет лишь недостаточный контакт с отложенным ускорителем, что ведет к неполному отверждению.

Это приводит к разным негативным аспектам в изоляционной системе, таким как отсутствие формообразующих свойств отверждаемого материала на поверхности обмотки, сниженная термостойкость, сниженная химическая стойкость, повышенная склонность к поглощению грязи из-за клейкой, не полностью отвержденной поверхности.

В частности, имея в виду относительно новые пропиточные смолы с оксирановыми функциональными группами, предпочтительно не содержащие никаких ангидридов и, в частности, не содержащие жидких ангидридов, стремятся найти решение, как сделать катализатор доступным для пропиточной смолы, не ухудшая стабильности при хранении и/или процесс пропитки.

Поэтому задачей настоящего изобретения является разработать изоляционную систему с катализатором для пропиточной смолы, в частности, смолы с оксирановыми функциональными группами, которая не содержит жидких ангидридов кислоты, причем катализатор является эффективным в зонах изоляционной системы, которые не соприкасаются с отложенным ускорителем из твердых изоляционных материалов.

Решением поставленной задачи и объектом настоящего изобретения является изоляционная система, содержащая твердые изоляционные материалами, пропиточную смолу с оксирановыми функциональными группами, отложенный ускоритель в твердых изоляционных материалах, а также катализатор для инициирования отверждения, причем катализатор в условиях отверждения является по меньшей мере частично газообразным. Кроме того, объектом изобретения является применение такой изоляционной системы для получения изоляции для электрической машины, катушки и/или системы проводников. Наконец, объектом настоящего изобретения является также электрическая машина, катушка и система проводников, содержащие изоляционную систему, в которой пропиточная смола включает отложенный ускоритель и катализатор, причем катализатор в условиях отверждения по меньшей мере частично является газообразным.

Условия пропитки соответствуют, например, известным условиях, при каких проводится вакуум-пропитка (VPI).

Чтобы как можно полнее привести в контакт смоченную пропиточной смолой поверхность с катализатором после пропитки твердых изоляционных материалов, согласно изобретению предлагается использовать катализаторы или ускорители, являющиеся газообразными в условиях отверждения. Они попадают, например, посредством процесса конвекции и/или диффузии на поверхность смолы и инициируют там реакцию отверждения. Важными факторами влияния для работоспособности и глубины действия этого инициирования отверждения посредством газовой фазы являются давление паров ускорителя, его температура активации и лежащий в основе механизм реакции.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, пропиточная смола с оксирановыми функциональными группами находится в форме, в которой газообразный катализатор хемосорбируется на поверхности.

Согласно следующему варианту осуществления изобретения, газообразный катализатор связан на подложке и может выделяться в результате повышения температуры.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, в газообразном катализаторе присутствует по меньшей мере одно соединение типа алкилимидазола и/или арилимидазола. Катализатор может также содержать смесь нескольких алкилимидазолов. Особенно предпочтительны 1,2-диалкилимидазолы.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, пропиточная смола находится в изоляционной системе вместе с реактивным разбавителем, как, например, пропиленкарбонат. Реактивный разбавитель служит для снижения вязкости пропиточной смолы, чтобы во время пропитки твердые изоляционные материалы могли смачиваться быстро и в достаточной степени.

Преимуществом предпочтительного использования алкилимидазолов является то, что можно целенаправленно устанавливать давление паров алкилимидазолов путем дериватизации боковой цепи. Это показывает, в частности, фигура 1, на которое представлено давление паров 1-алкил-2-метилимидазолов при 70°C в зависимости от боковой 1-алкильной цепи.

На фигуре 2 показано давление паров 1,2-диметилимидазола в зависимости от температуры.

Кроме того, изменяя боковую цепь, можно управлять электронной плотностью имидазольного кольца, которая ответственна за реакционную способность имидазолов. Так, можно, например, поместив алкильную цепь в положении 2 кольца, повысить реакционную способность за счет +I-эффекта.

Таким образом, можно привести в соответствие давление паров и реакционную способность с запланированными условиями отверждения и применяемой пропиточной смолой.

При необходимости это можно также дополнительно усовершенствовать путем смешения различных имидазолов. В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления, предусматривается также присутствие имидазолов в инертных растворителях с подходящими давлениями паров для облегчения испарения.

Далее, можно связать алкилимидазолы с адсорбентами и/или материалами подложки, такими как активированный уголь, цеолиты, металло-органические каркасные структуры (MOF) и/или полимерные адсорбенты. Например, (повторное) выделение алкилимидазолов происходит в результате воздействия температуры.

Можно также получать и вызывать высвобождение алкилимидазолов "In Situ", путем химической реакции непосредственно на месте.

В качестве примера осуществления описывается смесь низковязкого диглицидилового эфира бисфенола F с одним процентом пропиленкарбоната, которую отверждают ступенчато при температурах от 70°C до 145°C посредством атмосферы, содержащей 1,2-диметилимидазол.

При этом в зависимости от концентрации 1,2-диметилимидазола в атмосфере возможны температуры стеклования от 135°C до 145°C.

Фигура 3 показывает соответствующий график, на котором представлены температуры стеклования смеси диглицидилового эфира бисфенола F с одним процентом пропиленкарбоната, отверждаемой в атмосфере, содержащей 1,2-диметилимидазол.

Таким образом, установлено, что благодаря настоящему изобретению можно по желанию модифицировать давление паров и реакционную способность катализаторов на основе алкилимидазолов, в частности, путем изменения боковых цепей алкилимидазолов, для адаптации к пропиточной смоле и условиям процесса.

Особенно предпочтительно использовать не содержащую ангидридов пропиточную смолу вместе с отложенным ускорителем, который вызывает отверждение по механизму анионной или катионной полимеризации. В этом случае можно путем поверхностной обработки пропиточной смолы газообразным катализатором инициировать отверждение в в областях, в которых отложенный ускоритель является недостаточно активным.

Через реакцию отверждения, которая идет по механизму ионной полимеризации, добавка газообразного катализатора может вызвать глубинное действие, достигая также складок и карманов в твердых изоляционных материалах обмотки.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления, пропиточная смола является эпоксидной смолой. Например, эпоксидная смола содержит одно или несколько соединений, выбранных из группы следующих соединений: неперегнанный и/или перегнанный, при необходимости разбавленный реактивным разбавителем диглицидиловый эфир бисфенола A, неперегнанный и/или перегнанный, при необходимости разбавленный реактивным разбавителем диглицидиловый эфир бисфенола F, гидрированный диглицидиловый эфир бисфенола A и/или гидрированный диглицидиловый эфир бисфенола F, чистая и/или разбавленная растворителем эпоксидная новолачная смола и/или эпоксидная фенолоноволачная смола, циклоалифатические эпоксидные смолы, как 3,4-эпоксициклогексилметил-3,4-эпоксициклогексилкарбоксилат, например, CY179, ERL-4221; Celloxide 2021P, бис(3,4-эпоксициклогексилметил)адипат, например, ERL-4299; Celloxide 2081, винилциклогексендиэпоксид, например, ERL-4206; Celloxide 2000, 2-(3,4-эпоксициклогексил-5,5-спиро-3,4-эпокси)-циклогексан-метадиоксан, например, ERL-4234; диглицидиловый эфир гексагидрофталевой кислоты, например, CY184, EPalloy 5200; диглицидиловый эфир тетрагидрофталевой кислоты, например, CY192; глицидированные аминосмолы (N,N-диглицидил-пара-глицидилоксианилин, например, MY0500, MY0510, N,N-диглицидил-мета-диглицидилоксианилин, например, MY0600, MY0610, Ν,Ν,Ν',Ν'-тетрадиглицидил-4,4'-метилендианилин, например, MY720, MY721, MY725, а также любые смеси вышеуказанных соединений.

Согласно одному варианту осуществления, пропиточная смола содержит также по меньшей мере одну присадку и/или по меньшей мере один наполнитель.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, не содержащая ангидридов пропиточная смола находится в форме, в которой газообразный ускоритель может хемосорбироваться на поверхности.

Согласно следующему предпочтительному варианту осуществления изобретения, возможно связывание алкилимидазолов на адсорбентах и/или материалах подложки, таких как активированный уголь, цеолиты, металлоорганические каркасные структуры (MOF) и/или полимерные адсорбенты, причем выделение происходит, например, в результате повышения температуры.

Благодаря настоящему изобретению впервые стало возможным сделать доступным для не содержащей ангидридов кислоты пропиточной смолы не только отложенный ускоритель, но и дополнительный катализатор отверждения, не вмешивая его напрямую в пропиточную смолу. Это позволяет достичь достаточного отверждения пропиточной смолы на поверхности и в приповерхностных зонах, не оказывая негативного влияния на стабильность при хранении пропиточной смолы.

Такие недостатки, как отсутствие формообразующих свойств отверждаемого материала на поверхности обмотки, сниженная термостойкость, сниженная химическая стойкость, повышенная склонность к поглощению грязи из-за клейкой, не полностью отвержденной поверхности, благодаря изобретению можно смягчить или устранить.

Изобретение относится к изоляционной системе электрической машины, содержащей пропиточную смолу и катализатор, а также к ее применению, в частности, к изоляционной системе с катализатором нового типа. Благодаря настоящему изобретению впервые стало возможным сделать доступным для не содержащей ангидрида кислоты пропиточной смолы, наряду с отложенным ускорителем, дополнительный катализатор отверждения, не вводя его напрямую в пропиточную смолу. Это позволяет достичь достаточного отверждения пропиточной смолы на поверхности и в приповерхностных зонах, не оказывая негативного влияния на стабильность при хранении пропиточной смолы. Такие недостатки, как отсутствие формообразующих свойств отверждаемого материала на поверхности обмотки, сниженная термостойкость, сниженная химическая стойкость, повышенная склонность к поглощению грязи из-за клейкой, не полностью отвержденной поверхности, благодаря изобретению можно смягчить или устранить.

Предложена изоляционная система для электрической машины с номинальным напряжением большим/равным 1 кВ, получаемая посредством вакуум-нагнетательной пропитки твердого изоляционного материала, не содержащей ангидридов пропиточной смолой, которая является эпоксидной смолой, имеющей оксирановые функциональные группы, где в твердом изоляционном материале предусмотрен отложенный ускоритель, выбранный из группы: третичные амины, четвертичные ониевые соли и/или нафтенат цинка, и который инициирует отверждение упомянутой пропиточной смолы, где она соприкасается с упомянутым отложенным ускорителем, а для остальных областей упомянутой пропиточной смолы для поверхностного инициирования отверждения предусмотрен газообразный катализатор, содержащий алкилимидазол. Также предложено применение изоляционной системы, которая описана выше, для получения изоляции для электрической машины, катушки и/или системы проводников; предложена электрическая машина, катушка или система проводников с изоляционной системой, содержащей изоляционную систему, которая описана выше. Технический результат - возможность сделать доступным для не содержащей ангидридов кислоты пропиточной смолы не только отложенный ускоритель, но и дополнительный катализатор отверждения, не вмешивая его напрямую в пропиточную смолу, что позволяет достичь достаточного отверждения пропиточной смолы на поверхности и в приповерхностных зонах, не оказывая негативного влияния на стабильность при хранении пропиточной смолы. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Изоляционная система для электрической машины с номинальным напряжением, большим/равным 1 кВ, получаемая посредством вакуум-нагнетательной пропитки твердого изоляционного материала, не содержащей ангидридов пропиточной смолой, которая является эпоксидной смолой, имеющей оксирановые функциональные группы, причем в твердом изоляционном материале предусмотрен отложенный ускоритель, выбранный из группы: третичные амины, четвертичные ониевые соли и/или нафтенат цинка, и который инициирует отверждение упомянутой пропиточной смолы, где она соприкасается с упомянутым отложенным ускорителем, а для остальных областей упомянутой пропиточной смолы для поверхностного инициирования отверждения предусмотрен газообразный катализатор, содержащий алкилимидазол.

2. Изоляционная система по п. 1, в которой твердый изоляционный материал является слюдяной лентой.

3. Изоляционная система по одному из предыдущих пунктов, в которой упомянутый отложенный ускоритель и упомянутый газообразный катализатор выбираются таким образом, что происходит отверждение упомянутой пропиточной смолы по механизму ионной полимеризации.

4. Изоляционная система по одному из предыдущих пунктов, в которой газообразный катализатор содержит 1,2-диалкилимидазол.

5. Изоляционная система по одному из предыдущих пунктов, в которой упомянутый газообразный катализатор содержит смесь разных алкилимидазолов и/или арилимидазолов.

6. Изоляционная система по одному из предыдущих пунктов, в которой газообразный катализатор содержит смесь разных 1,2-ди-алкилимидазолов.

7. Изоляционная система по одному из предыдущих пунктов, которая содержит по меньшей мере одну присадку и/или наполнитель, добавленные в упомянутую пропиточную смолу.

8. Изоляционная система по одному из предыдущих пунктов, в которой добавленная в упомянутую пропиточную смолу присадка является реактивным разбавителем.

9. Изоляционная система по одному из предыдущих пунктов, в которой упомянутый газообразный катализатор находится связанным на подложке и/или адсорбенте, таком как активированный уголь, цеолиты и/или металлоорганические каркасные структуры.

10. Изоляционная система по п. 9, в которой упомянутый газообразный катализатор, который представлен хемосорбированным на подложке и/или адсорбенте, может десорбироваться в результате изменения температуры, воздействия излучения и/или магнитного поля.

11. Изоляционная система по одному из предыдущих пунктов, в которой упомянутый газообразный катализатор представлен связанным химически, например ионной связью и/или через водородные мостиковые связи.

12. Применение изоляционной системы по одному из пп. 1-11 для получения изоляции для электрической машины, катушки и/или системы проводников.

13. Электрическая машина, катушка или система проводников с изоляционной системой, содержащей изоляционную систему по одному из пп. 1-11.