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Resinas termoendurecibles para encapsulación del estator en electromovilidad y motores industriales

Encapsulación de final de giro en generador refrigerado por líquido

Los motores y generadores eléctricos son cada vez más importantes para las aplicaciones industriales y automotrices, pero presentan una serie de desafíos que los ingenieros de diseño deben superar. En este artículo, el Dr. Werner Hollstein de Huntsman Advanced Materials aborda estos desafíos y analiza cómo los últimos sistemas de encapsulación de epoxi y poliuretano son capaces de soportar, o incluso habilitar, diseños de motor nuevos y robustos con la garantía de una alta rentabilidad y calidad.

Motores y generadores

Los desafíos emergentes para el desarrollo de motores y generadores para aplicaciones industriales y automotrices incluyen reducción de tamaño, mayor densidad de integración, más potencia de salida, mayor confiabilidad y resistencia, resistencia a ambientes hostiles y reducción de ruido. Por lo general, se utiliza el barnizado simple para el aislamiento eléctrico y la fijación mecánica de los devanados del rotor y del estator, pero esto tiende a generar los siguientes problemas:

  • Diversas pérdidas en funcionamiento que conducen a altas temperaturas y sobrecalentamiento
  • Vibraciones que causan desgaste y cortocircuito de bobinados
  • Los aceites agresivos, los productos químicos, los vapores y la humedad atacan los devanados dañinos

A medida que aumenta la carga en el motor, también aumentan las pérdidas operacionales mencionadas anteriormente. Los sistemas de resina termoendurecible para encapsulación e impregnación brindan una respuesta a estos problemas.

Una opción es un estator totalmente encapsulado donde los devanados, huecos y socavados de cobre están completamente impregnados y llenos de polímero. EnFigura 1, se muestra el esquema de un estator preparado para una encapsulación completa.

Un núcleo de sellado se coloca en el medio del estator para asegurar la estanqueidad al vacío y evitar que la resina contamine las laminaciones metálicas. El sistema de resina líquida se desgasifica y se encapsula, preferiblemente al vacío, en el estator. Es esencial que el sistema de resina tenga una baja viscosidad y suficiente latencia para permitir un llenado e impregnación rápidos. Después de esto, el curado del horno debe ser optimizado y controlado para minimizar la contracción del volumen y las tensiones mecánicas.

Otra opción es la encapsulación de los giros finales. En general, se produce más del 60% de calor perdido en los giros finales de un estator. Por lo tanto, es más eficaz que solo llenar el espacio entre los giros finales y la carcasa. EnFigura 2, se muestra el esquema de un estator con vueltas finales encapsuladas.

Al seleccionar un encapsulante adecuado, es importante elegir uno que ofrezca alta conductividad térmica, propiedades de flujo definidas con precisión y tiempos de curado cortos.

Sistemas de resina epoxi de curado en caliente para encapsulación completa del estator

Los sistemas de resina epoxi formulados son insustituibles en muchas aplicaciones eléctricas. Ofrecen un excelente aislamiento eléctrico, buenas características mecánicas, resistencia química y resistencia térmica. El procesamiento a temperaturas entre 60 a 80 ° C reduce significativamente las viscosidades de estos sistemas, lo que permite cargas de relleno más altas y propiedades de llenado más rápidas. El curado final requiere temperaturas superiores a 100 ° C.

Araldite® CW 229-3 / Aradur HW 229-1 es un buen ejemplo de un sistema de resina precargada que proporciona alta resistencia al agrietamiento y al choque térmico. EnFigura 3 los resultados de la prueba del ciclo de temperatura se muestran con un inserto de metal incrustado (radio de borde 1mm).

Los ciclos de prueba 20 se llevaron a cabo con éxito hasta temperaturas tan bajas como -80 ° C. Se demostró que la capacidad de impregnación es buena, con una conductividad térmica de 0.7 W / m K.

La resistencia térmica en las pruebas de envejecimiento a largo plazo (IEC 60216) dio como resultado un índice térmico de más de 180 ° C (clase H). Incluso 200 ° C se determinó como un índice de temperatura relativa (RTI) después de UK746B. Por lo tanto, se asegura una buena disipación de calor, aislamiento eléctrico confiable y resistencia térmica para motores y generadores altamente cargados.

Para responder a las demandas de tiempos de ciclo cortos, Araldite® CW 229-3 / Aradur HW 229-1 también está disponible con una mayor reactividad, lo que hace que la necesidad obligatoria para el post-curado de sistemas normales sea obsoleta. Este sistema no post curado (NPC) es adecuado para el proceso automático de gelificación a presión (APG), que ofrece ventajas adicionales de tiempos de moldeo más cortos y temperaturas de molde más bajas.

Si la disipación de calor es el requisito más importante para la encapsulación del estator, Araldite® XB 2710 / Aradur XB 2711 proporciona una buena solución, lo que facilita la conductividad térmica en 1.5 W / m K y la garantía de una alta conductividad térmica. Al ofrecer propiedades similares a Araldite® CW 229-3 / Aradur HW 229-1, este sistema también ofrece una excelente resistencia al agrietamiento y un bajo coeficiente de expansión térmica.

Sistemas de resina epoxi de curado en frío para encapsulación completa del estator

Las aminas son los agentes de curado más comúnmente utilizados para la cura epoxi. Sin embargo, la reactividad de estos sistemas les permite también curar a temperatura ambiente. No se necesitan hornos y, por lo tanto, el equipo de procesamiento es mucho más simple y de menor costo. Araldite® XB 2252 / Aradur XB 2253 es un sistema de resina epoxi de curado en frío con excelentes características de fluidez e impregnación. La resistencia térmica es excepcionalmente alta con un índice térmico de 180 C que cumple con la clase F.

Araldite® CW1312 / Aradur HY 1300 es otro ejemplo de un sistema resistente de curado en frío que exhibe una buena resistencia al envejecimiento térmico y una buena resistencia al choque térmico, con un rendimiento probado en aplicaciones de clase B.

Sistemas de poliuretano para la encapsulación completa del estator

Los poliuretanos (PUR) se han utilizado para el aislamiento eléctrico desde el comienzo de los 1950 cuando las materias primas rentables estuvieron disponibles a escala industrial.

La reacción química de un poliol y un isocianato da como resultado un polímero con enlaces de uretano. Si la reticulación se produce en tres dimensiones, el polímero resultante pertenece a la clase de elastómeros y termoestables. La reacción de curado es rápida y exotérmica a temperatura ambiente y no se necesitan hornos. Debido a la gran variedad de polioles, isocianatos, modificadores y rellenos, los PUR se pueden adaptar para una amplia gama de aplicaciones, incluida la encapsulación completa del estator.

Arathane® CW 5631 / HY 5610 es fácil de procesar y tiene buenas capacidades de impregnación; estas son características excepcionales para un sistema PU. El retardo de llama UL94 V-0 se cumple para el material curado, la conductividad térmica está en el rango de 0.6 W / m K y se proporciona una excelente resistencia al envejecimiento térmico.

Otra ventaja del uso de Arathane® CW 5631 / HY 5610 es su adaptabilidad, que permite la encapsulación completa de diferentes tamaños y diseños de estatores simplemente cambiando la proporción de mezcla. Con la reducción hasta 100: 19 pbw, la dureza Shore se reduce significativamente de D80 a D55 y, lo que es más importante, las excelentes propiedades de resistencia al agrietamiento del sistema no se ven afectadas.

Sistema epoxi de un componente para encapsulación de fin de giro

La mayoría de los sistemas basados ​​en epoxi se suministran como dos componentes separados. Para la producción en serie, se requiere una amplia gama de equipos para procesar estos sistemas. Los productos de un componente son mucho más simples de procesar y reducen significativamente las necesidades de maquinaria. Los epóxicos existentes de un componente se utilizan comercialmente como adhesivos, selladores, compuestos de moldeo e impregnación y resinas de colada.

Aratherm® CW 2731 se ha desarrollado para la encapsulación de los giros de los extremos del motor y del generador. Este epoxy monocomponente "pastoso" se llena previamente con un tipo especial de relleno para lograr una alta conductividad térmica de 3.0 W / m K. No requiere precalentamiento, homogeneización o desgasificación y la fluidez se puede ajustar fácilmente para llenar los espacios entre el cables y carcasa. No es necesario curar el horno si la capacidad calorífica de los estatores precalentados es lo suficientemente alta como para mantener la temperatura por encima de 150 ° C durante una hora. Se muestra un ejemplo de aplicación de un generador refrigerado por líquido enImagen 1.

Otra propiedad importante del material es la alta Tg de 160 ° C que garantiza la consistencia en todo el rango de temperaturas operativas y una excelente durabilidad térmica. El bajo coeficiente de expansión térmica de 20 * 10-6 1 / K minimiza la falta de coincidencia térmica de los materiales y evita el agrietamiento y la delaminación.

En resumen

En el reto constante de producir motores y generadores que ofrezcan más potencia de salida, mayor densidad de integración, mayor confiabilidad, resistencia a las condiciones adversas y reducción de ruido, los sistemas de resina termoendurecible para el estator completo o la encapsulación final ofrecen la solución ideal.

Los sistemas epoxi y PUR actuales ofrecen las características de materiales necesarias que cubren la necesidad de alta disipación de calor, aislamiento eléctrico, fijación mecánica, amortiguación y protección contra productos químicos agresivos, vapores y humedad.

Los productos de Huntsman Advanced Material están diseñados específicamente para diferentes tecnologías de procesamiento y aplicación, como la colada en vacío y la gelificación automática a presión, que permiten tiempos de ciclo cortos y alto rendimiento. Las tecnologías presentadas, que utilizan los últimos sistemas de resina, pueden contribuir tremendamente a los nuevos diseños de motores para la movilidad eléctrica y las aplicaciones industriales donde la fiabilidad, la alta rentabilidad y la calidad son fundamentales.

Patricia Albisser
Huntsman Advanced Materials (Switzerland) GmbH
Escuelas
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Suiza
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