Keuze van de isolatieklasse voor laminaatstapels: olie, water en warmte

De meeste discussies over isolatieklassen vinden plaats op het verkeerde niveau van de machine.

Iemand vraagt naar “Klasse H-laminaten”. Meestal bedoelen ze daarmee een Klasse H motor. Dat zijn verschillende aankopen. A laminatiestapel heeft een dunne interlaminaire coating, gemeten in micron, en een assemblagemethode — lassen, in elkaar klikken, lijmen, klinken, klemmen. De wikkeling heeft de thermische klasse die op het typeplaatje staat vermeld. De twee beïnvloeden elkaar, maar geen van beide neemt de classificatie van de ander over, en de storingen die voortvloeien uit het door elkaar halen ervan zijn langzaam, stil en duur om ter plaatse te diagnosticeren.

In dit artikel worden de twee systemen van elkaar onderscheiden, waarna wordt uitgelegd wat er precies verandert wanneer de stack wordt blootgesteld aan olie, vocht of temperaturen boven 180 °C.

Twee isolatiesystemen, één kern

De interlaminaire coating is bedoeld om te voorkomen dat wervelstromen van plaat naar plaat overslaan. Het moet bestand zijn tegen ponsen, eventuele spanningsontlastingsgloeibehandelingen, verbindingswerkzaamheden, impregnering met lak of hars, en vervolgens decennia lang tegen alle vloeistoffen en temperaturen waaraan de machine het blootstelt. Het is dun — doorgaans 0,5 tot 5 µm — en de specificaties worden uitgedrukt in oppervlakte-isolatieweerstand, gloeibestendigheid en chemische stabiliteit, niet in een letterklasse.

Het isolatiesysteem voor de wikkeling Dit is wat een thermische klasse omvat: sleufbekleding, fase- en laagisolatie, lakdraad, wiggen, loodisolatie en impregneerhars, die allemaal samen in aanmerking worden genomen. De klasse is een eigenschap van de combinatie, verouderd als systeem.

Waar mensen de fout ingaan: de stapel bevindt zich binnen de thermische envelop van het wikkelingssysteem. Als de sleufbekleding krimpt, als de hars zachter wordt, als de lak chemisch afbreekt, verandert de warmtestroompad van koper naar kern, en gaat de stapel werken met minder marge dan uit de laboratoriumvalidatie bleek. Het staal is in orde. De magnetische eigenschappen zijn in orde. Het thermische beeld onder de machine is veranderd.

Wat een thermische klasse eigenlijk belooft

De letterklassen — B bij 130 °C, F bij 155 °C, H bij 180 °C, 200, 220 — verwijzen naar de temperatuur op het heetste punt die het systeem met een aanvaardbare levensduur kan weerstaan. Niet de omgevingstemperatuur. Niet de behuizing. Niet de gemiddelde temperatuur in het oliecarter. Het heetste punt in de wikkeling, meestal halverwege de sleuf.

De volgende berekening is het deel dat je goed in je moet nemen:

Als je een systeem tot de limiet van zijn klasse laat draaien, komen de thermische duurzaamheidstests meestal uit op zo’n 20.000 uur. Bij continu gebruik komt dat neer op iets meer dan twee jaar. Prima voor elektrisch gereedschap. Niet prima voor een pomp die een decennium mee moet gaan. Daarom is het algemeen aanvaard om een klasse hoger te specificeren dan de temperatuurstijging: klasse F-isolatie, klasse B-stijging. De ruwe richtlijn — de helft van de levensduur voor elke 10 K boven de norm, ongeveer het dubbele voor elke 10 K eronder — is een redelijk hulpmiddel bij het plannen van de veroudering van de isolatie, hoewel lagervet, thermische cycli en spanningsbelasting aan de aandrijfzijde vaak eerder bepalend zijn voor de betrouwbaarheid dan de isolatie zelf.

De vraag van de les bestaat dus eigenlijk uit twee vragen op elkaar. Welke hotspot ontstaat er daadwerkelijk door het ontwerp – geverifieerd, niet geschat? En in welke chemische omgeving bevindt die hotspot zich?

De verschillende soorten coatings, en hoe de omgeving deze beïnvloedt

Interlaminaire coatings worden ingedeeld in een C-serie die loopt van natuurlijk fabrieksoxide via organische lakken tot volledig anorganische fosfaat- en silicaatsystemen, plus hybride varianten. In plaats van de volledige lijst op te sommen, volgt hier de versie die van belang is wanneer je een keuze moet maken op basis van de omgeving.

Uit deze tabel blijken twee zaken die in de catalogustaal vaak vervaagd worden.

Ten eerste betekent een “hoger klassenummer” niet dat het “beter” is. Een gevulde anorganische coating is schurender voor hardmetalen gereedschap en kan het onderhoud aan de matrijs aanzienlijk verhogen in vergelijking met een organisch systeem. Als het onderdeel een statorlaminaat van 0,25 mm is dat in tientallen miljoenen wordt geproduceerd, is de levensduur van het gereedschap een echte kostenpost, geen voetnoot.

Ten tweede is de gloeistap een vereiste, geen keuze. Als je magnetische doelstukken na het ponsen spanningsontlasting nodig hebben — en bij dunne platen met een hoog siliciumgehalte en kleine tanden is dat vaak het geval — valt elke coating met organische bestanddelen af of moet er een gedocumenteerde weerstandswaarde na het gloeien beschikbaar zijn. Bepaal de productieroute voordat u een shortlist van coatings opstelt. Ponsmethode, braamlimiet, verbindingsmethode, wel of geen gloeibehandeling, pasvorm in de behuizing. Kies vervolgens een coating die daarna nog steeds zinvol is.

Olieomgevingen

Oliekoeling zorgt er niet voor dat je een hogere klasse krijgt. Het zorgt er meestal voor dat de temperatuur waaraan de isolatie wordt blootgesteld, daalt, en dat is ook de bedoeling. Wat olie wel verandert, is welke materialen onder die categorie vallen.

Chemisch filter, toegepast bovenop de thermische beslissing. Een polymeerfilm die in minerale olie opzwelt of plastificeert, komt niet in aanmerking, ongeacht de temperatuurclassificatie. Estervloeistoffen gedragen zich anders dan minerale oliën, en automatische transmissievloeistof weer anders — additievenpakketten, watergehalte, zuurgraad gedurende de levensduur. Composietmaterialen op basis van aramide hebben een lange staat van dienst in met olie gevulde apparatuur, omdat de chemische samenstelling stabiel is in zowel minerale als ester-vloeistoffen. Die staat van dienst is meer waard dan een cijfer op een gegevensblad dat in theorie is berekend.

De obligatielijn vormt meestal de werkelijke grens. Dit is het onderdeel dat in de meeste specificaties ontbreekt. Een stapel kan in een machine van klasse H worden geplaatst en toch een kleeflaag bevatten waarvan de glasovergangstemperatuur in het bereik van 80–100 °C ligt. In gepubliceerde studies over epoxyvernissystemen op waterbasis voor elektrisch staal werden uitgeharde lagen aangetroffen met glasovergangstemperaturen tussen ongeveer 81 °C en 102 °C, en een afpelsterkte die bij 100 °C rond 50% daalde en bij 140 °C rond 75%. De klasse van het omringende isolatiesysteem bood geen bescherming aan de verbinding. Test de lijm op laminatie-hotspot, niet de typebeschrijving op de motor.

Olie is niet per se de belangrijkste factor die veroudering in de hand werkt. Uit vermoeidheids- en delaminatietests op met epoxy verlijmde laminaten van elektrisch staal is gebleken dat het scheurgroeigedrag in hete lucht en in een koelmedium op oliebasis onder bepaalde omstandigheden in grote lijnen vergelijkbaar was — waarbij het omslagpunt in de vermoeidheidsdrempel het overgangsgebied van de lijm volgde in plaats van dat van de vloeistof. Warmte en visco-elastische verzachting kunnen even belangrijk zijn als contact met vloeistof. Soms zelfs nog belangrijker.

Rijping in olie verloopt volgens andere regels dan rijping aan de lucht. Door onderdompeling wordt zuurstof uitgesloten, wat de oxidatieve afbraak van organische componenten vertraagt. Ondertussen werken warmte, vloeistof en trillingen decennialang in op de hechtverbindingen. Een laminaat van klasse F dat op de juiste wijze in olie is getest, gaat doorgaans langer mee dan een materiaal van een nominaal hogere klasse waarvan de hechting alleen in droge toestand is getest. Vraag naar de basis voor de verouderingstest. Als het antwoord luidt: “de folie is geclassificeerd voor 180 °C”, dan heeft dat betrekking op één laag.

Dikte van de lijmlaag. Vanaf een bepaald punt geldt: dikker is niet per se sterker. Uit een onderzoek bleek dat de afpelsterkte toenam naarmate de lijmlaag dikker werd, tot ongeveer 20 µm, waarna de stijging afvlakte. Extra lijm gaat ten koste van de stapelbaarheid en levert geen voordelen op.

Praktische eis voor oliegekoelde stapels: afpellen of afsnijden na veroudering in olie bij bedrijfstemperatuur, geen onderdompeling bij kamertemperatuur en geen onderdompeling van 48 uur. Bovendien moet er sprake zijn van cyclische belasting in hetzelfde medium als de stapel een constructief element is.

Water, vochtigheid en omgevingen met ingesloten vloeistoffen

Vocht tast een systeem op een andere manier aan. Het gaat hierbij om een chemisch proces, niet om een thermisch proces, en het kan een systeem buiten werking stellen dat nog lang niet de grens van zijn klasse heeft bereikt.

Polyesterfolie — het goedkope werkpaard achter de meeste sleufbekledingen, ingedeeld in klasse E tot B afhankelijk van de kwaliteit — is gevoelig voor hydrolyse. Hete, vochtige en afgesloten omstandigheden verlagen het molecuulgewicht en de diëlektrische sterkte. De folie wordt broos. Samengestelde papieren met een polyesterkern erven die zwakte in de kernlaag, zelfs wanneer de buitenste aramidlagen er geen last van hebben. Daarom is opslag bij een relatieve vochtigheid van minder dan ongeveer 60% een echte specificatie voor die materialen, en geen onnodige kieskeurigheid van het magazijn. Hydrolytische stabiliteit, grofweg gerangschikt: polyfenyleensulfide- en polyimidefolies houden goed stand, polyethyleennaftalaat zit daar tussenin, polyester is de zwakste schakel.

In een afgesloten compressor wordt de situatie nog ernstiger. Vocht, smeermiddel, koelmiddel en warmte kunnen samen leiden tot de vorming van zuren. Zodra er hydrolyse optreedt in een polyesteronderdeel, blijft de schade niet beperkt tot die laag — ze verspreidt zich door het isolatiepakket. De toestand van de sleufbekleding, de vernislaag en de loodisolatie verandert, en daarmee verandert ook het thermisch gedrag.

Wat de stapel zelf betreft, levert water twee afzonderlijke problemen op:

• Corrosie aan de snijkant. De coating bedekt het oppervlak van de plaat. De gestanste rand bestaat uit blank staal met een braam. Bij condensatietoepassingen, of bij ontwerpen met natte rotoren en in kap gesloten uitvoeringen, vormt die rand de plaats waar het proces begint. Een strikte controle op bramen en een corrosiebestendige samenstelling van de coating zijn hier belangrijker dan de oppervlakteweerstand.
• Interlaminaire kortsluiting door vochtlagen. Oxide-coatings met een lage weerstand die in droge toestand prima voldoen, kunnen hun veiligheidsmarge verliezen wanneer een geleidende film de lamellen met elkaar verbindt. Als de machine aan condensatiecycli wordt blootgesteld, moet u een gemeten oppervlakte-isolatieweerstand specificeren en een vochtigheidsconditie vastleggen waarbinnen deze waarde moet blijven.

Anticondensverwarming, afvoer, ontluchtingen en de beschermingsgraad van de behuizing spelen een rol bij de keuze van de isolatie, ook al staan ze op een andere tekening vermeld. Een machine die nooit koud genoeg wordt om condensatie te veroorzaken, vereist een lagere isolatie dan de klasse doet vermoeden.

Boven 180 °C

Zodra de hotspot de Klasse H-lijn passeert, wordt het materiaalassortiment snel beperkter en stijgen de kosten met sprongen in plaats van geleidelijk.

Folies op basis van polyester zijn verdwenen. Aramidpapier, polyimidefilms, polyfenyleensulfidefilms, micacomposieten en hittebestendige harsen nemen de taak over. Zuiver aramidpapier is geschikt voor continu gebruik bij ongeveer 220 °C en smelt niet, hoewel het meer vocht absorbeert dan op film gebaseerde alternatieven — een afweging die je bewust maakt in plaats van per ongeluk.

Wat de stapel betreft, wordt het steeds moeilijker om lijmverbinding te verdedigen als primaire verbindingsmethode bij temperaturen boven ongeveer 180 °C, tenzij het lijmsysteem specifiek hiervoor is ontwikkeld en er gegevens over de prestaties bij die temperatuur beschikbaar zijn. Lassen en in elkaar grijpen worden structureel aantrekkelijker, maar gaan ten koste van de prestaties tussen de lagen op de plaatsen waar de verbinding doordringt. Gevulde anorganische coatings zijn bestand tegen reparaties door uitbranden en processtappen bij hoge temperaturen; sommige worden aangeprezen als thermisch bestendig tot ongeveer 420 °C, wat van belang is voor herwikkelingsbedrijven die wikkelingen uitbranden en de kern hergebruiken.

Let ook op de volgorde. Dunne coatings die zijn gekozen vanwege hun gedrag bij het lassen of automatisch stapelen, zijn mogelijk niet dezelfde coatings die na een langdurige thermische blootstelling de elektrische scheiding in stand houden. Er zijn maar heel weinig coatings die op beide vlakken optimaal presteren.

Een selectieprocedure die standhoudt

1. Zorg eerst dat het productieproces op orde is. Stansen of laser, doel voor bramen, gloeien of niet gloeien, verbindingsmethode, aansluiting op de behuizing.
2. Zorg voor een geverifieerde hotspot, geen berekende omgevingstemperatuur. Gegevens van een thermokoppel of een ingebouwde detector uit een representatieve installatie, bij de meest ongunstige bedrijfsomstandigheden — hoogste omgevingstemperatuur, laagste koelvloeistofdoorstroming, einde levensduur van de warmtewisselaar.
3. Stel de wikkelingsklasse één stap hoger in dan de ontwerpstijging tenzij de toepassing daadwerkelijk met tussenpozen wordt gebruikt.
4. Plaats het vloeistoffilter. Geef de exacte vloeistof aan: minerale olie, synthetische ester, natuurlijke ester, transmissievloeistof, koelmiddel met smeermiddel, gedeïoniseerd water-glycol. Inclusief concentratie en additievenpakket.
5. Controleer de lijmnaad en de coating afzonderlijk op dezelfde hotspot. Laat de systeemklasse niet in de plaats komen van een van beide.
6. Stel de kwalificatievoorwaarde zo in dat deze lijkt op 'service'. Gerijpt in de werkelijke vloeistof, bij de werkelijke temperatuur, onder de werkelijke belasting, gedurende een periode die echt iets betekent.
7. Bepaal vervolgens de prijs. Het gebruik van een aramide met te hoge specificaties in een motor van klasse B voor huishoudelijke apparaten kan de kosten voor isolatie vele malen hoger maken, zonder dat dit de betrouwbaarheid ten goede komt.

Stap 6 is de stap waarin programma’s meestal slagen of mislukken. Recente gegevens over lap-shear-tests bij kamertemperatuur hebben vrijwel geen voorspellende waarde voor een gelijmde stapel in hete olie onder cyclische belasting.

FAQ

Heeft een oliegekoelde motor een hogere isolatieklasse nodig? Meestal is het juist andersom. Effectieve vloeistofkoeling vermindert de warmteconcentratie, waardoor je een lagere klasse kunt kiezen. Olie bepaalt daarentegen welke materialen in aanmerking komen binnen de klasse die je kiest. Geef bij je specificatie zowel de klasse als de exacte vloeistof aan.

Kan ik de klasse op het typeplaatje van de motor gebruiken om de lijm voor de stapel te kiezen? Nee. De klasse beschrijft het isolatiesysteem van de wikkelingen dat als geheel is verouderd. Een kleeflaag binnenin de stapel kan een glasovergang hebben die 80–100 K onder de klassegrens ligt en toch voor die machine worden verkocht. Bescherm de kleefstoffen tegen de hotspot in de laminering.

Is een coating van organisch materiaal met vulstof toelaatbaar in in olie ondergedompelde kernen? Wordt over het algemeen beschouwd als de risicovollere keuze. Het is de organische fractie die jarenlang in contact staat met hete vloeistof. Coatings die volledig of grotendeels uit anorganische stoffen bestaan, zijn de gangbare oplossing voor langdurige onderdompeling in olie, en ze zijn bovendien bestand tegen spanningsverlichtingsgloeien.

Wat gaat het eerst kapot in een vochtige omgeving? Onderdelen op basis van polyester door hydrolyse, en gestanste randen door corrosie. Bij geen van beide gevallen hoeft de machine zich in de buurt van zijn thermische grens te bevinden.

Hoeveel thermische marge moet een ontwerp hebben? Een toename van 10 K halveert of verdubbelt de thermische levensduur van de isolatie ongeveer, dus bij de meeste industriële ontwerpen wordt gestreefd naar een temperatuurstijging die één klasse onder de isolatie ligt. Machines die met tussenpozen worden gebruikt, worden soms opzettelijk warmer gedreven om een hogere vermogensdichtheid te bereiken, waarbij een kortere levensduur van de isolatie wordt geaccepteerd.

Heeft ontspanningsgloeien invloed op de keuze van het isolatiemateriaal? Dat is bepalend. Coatings die geschikt zijn voor gloeien zijn bestand tegen temperaturen van ongeveer 800–850 °C in een inerte of licht reducerende atmosfeer, hoewel de oppervlakteweerstand daarna kan afnemen. Systemen die organische bestanddelen bevatten, verbranden of laten koolstofresten achter die de weerstand verlagen. Bepaal eerst of gloeien nodig is voordat u een shortlist van coatings opstelt, en niet daarna.

Welk enkel stukje informatie draagt het meest bij aan een betere offerte? De geverifieerde temperatuur van de hotspot en de exacte vloeistofsoort, in het eerste bericht. Die twee waarden zorgen ervoor dat het grootste deel van het materiaal direct kan worden uitgesloten en besparen een week heen-en-weer-gepraat.