CN102568663A - 高温高频电磁线和制造方法 - Google Patents

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Abstract

在示例性的实施方案中，复合电磁线(10)包括金属线(12)和涂布于金属线外表面(16)的涂料(14)。涂料包括聚酰亚胺聚合物(18)和分散于聚酰亚胺聚合物中的多个氧化铝纳米颗粒(20)。氧化铝纳米颗粒具有涂布于氧化铝纳米颗粒外表面的表面处理物，其中表面处理物包括苯基-硅烷。复合电磁线具有如根据ASTM E1641或D2307计算的至少300℃的热降解温度指数。

Description

高温高频电磁线和制造方法
发明背景
本发明领域主要涉及高温高频电磁线，并且更具体地涉及用涂料涂布的复合电磁线，所述涂料包括分散于聚酰亚胺聚合物中的氧化铝纳米颗粒。
涂布的电导体通常包括一个或更多个围绕导电芯形成的电绝缘层，也称为漆包线漆组合物。电磁线为涂布的电导体的一种形式，其中导电芯为铜线或铜合金，并且绝缘层(一或多层)包括围绕导体周围涂布的介电材料比如聚合物树脂。电磁线用于变压器、电动机等的电磁铁线圈。由于其在这样的线圈中的用途，电磁线的绝缘系统必须足够柔韧，以使该绝缘体在绕线操作期间不脱层或破裂或者另外受到损坏。绝缘系统也必须足够地耐磨，以使系统的外表面可经受起可在绕线操作期间遭遇的摩擦、刮擦和磨损力。绝缘系统也必须足够地耐用和抗降解以使介电性能保持长的时间段。
另外，电磁线也用于构成变压器、电感器、发动机、耳机、扬声器、硬盘驱动磁头定位器、电位计和电磁铁及其它应用。电磁线为用于电机、电动机、发电机和变压器中作为绕组绝缘的一次绝缘(primaryinsulation)。电磁线运载交流电并产生磁场和感应电力。电磁线通常使用多层聚合物绝缘体以提供坚韧、连续的绝缘层。电磁线绝缘涂料按照增大温度范围的顺序可为聚氨酯、聚酰胺、聚酯、聚酯-聚酰亚胺、聚酰胺-聚酰亚胺和聚酰亚胺。聚酰亚胺绝缘的电磁线能够在至高达250℃下操作。
发明简述
在一个方面，提供复合电磁线。复合电磁线包括金属线和涂布于金属线外表面的涂料。涂料包括聚酰亚胺聚合物和分散于聚酰亚胺聚合物中的多个氧化铝纳米颗粒。氧化铝纳米颗粒具有涂布于氧化铝纳米颗粒外表面的表面处理物，其中表面处理物包括苯基-硅烷。复合电磁线具有根据ASTM E1641计算的至少300℃的热降解温度指数。
在另一个方面，提供制造复合电磁线的方法。方法包括将氧化铝纳米颗粒与聚酰亚胺聚合物混合以形成聚酰亚胺混合物。氧化铝纳米颗粒具有涂布于氧化铝纳米颗粒外表面的表面处理物。表面处理物包括苯基-硅烷。方法也包括：通过使金属线通过涂覆模具而用聚酰亚胺混合物涂布金属线、加热涂布的金属线、冷却涂布的金属线，并重复涂布、加热和冷却步骤，以在金属线上沉积预定数目的涂料层。方法进一步包括：使涂布的金属线以约15-约30英尺每分钟的速度通过具有约425℃-约475℃温度的退火炉，将多层涂布的金属线缠绕到金属线轴上，在约300℃-约400℃下加热缠绕的金属线约20-约40分钟，和冷却经加热的缠绕的金属线。
附图简述
图1为示例性电磁线的放大示意截面端视图。
图2为电磁线制造系统的示意图。
图3为在图1中显示的复合电磁线制造方法的流程图。
部件列表
  10   复合电磁线
  12   导电芯
  14   绝缘涂料
  16   外表面
  18   聚酰亚胺聚合物
  20   氧化铝纳米颗粒
  30   电磁线制造系统
  32   供线轴
  34   涂覆模具
  36   固化炉
  38   冷却隧道
  40   第一加热区
  42   第二区
  44   第三区
  46   退火炉
  48   退火冷却隧道
  50   卷线轴
  52   多个导辊
  60   方法
  62   混合
  64   涂布
  66   加热
  68   冷却
  70   重复
  72   通过
  74   冷却
  76   缠绕
  78   加热
  80   冷却
发明详述
以下详细描述复合电磁线和制造该电磁线的方法。复合电磁线可用于电机例如电动机、发电机、变压器、电感器等。聚酰亚胺涂料被涂布于电磁线以提供绝缘性能。氧化铝纳米颗粒被分散于聚酰亚胺涂料中。氧化铝也称为三氧化二铝(Al2O3)。氧化铝纳米颗粒包括涂布于氧化铝纳米颗粒外表面的表面处理物。表面处理物使氧化铝纳米颗粒的表面钝化，从而使得表面无电抗。表面钝态防止颗粒在聚酰亚胺涂料中凝聚和沉淀。经涂布的电磁线呈现独特的特性。例如，涂布的电磁线与已知电磁线相比较呈现更高的热能力，这使得电机能制成具有较高的功率密度和能在比已知电机温度环境更高的温度环境下运行。具体地讲，涂布的电磁线具有根据ASTM E1641计算的至少300℃的热降解温度指数。相比而言，已知电磁线的最高热降解温度指数为约240℃。至少约300℃的热降解温度指数使电机中可具有更高的功率密度和允许电机在更高的温度环境下操作。另外，电磁线呈现比通常在已知电机中提供的更好的脉冲浪涌抵抗性(pulse surge resistance)，这使得逆变器驱动电动机、发电机及其它电机的可靠性增加。
参照附图，图1为示例性复合电磁线10的截面端视示意图，电磁线10包括导电芯12和涂布于导电芯12的外表面16的绝缘涂料14。导电芯12通常为金属线，例如铜线、铜合金线、镀银铜线、镀镍铜线或镍包铜线、铝线、铜包铝线等。
涂料14包括聚酰亚胺聚合物18和多个氧化铝纳米颗粒20。可使用的合适的聚酰亚胺聚合物包括(但不限于)聚(苯均四酸二酐-共聚-4，4′-二氨基二苯醚)、酰胺酸(poly(pyromellitic dianhydride-co-4，4′-oxydianiline)，amic acid)；聚(联苯四甲酸二酐-共聚-苯二胺)、酰胺酸(poly(biphenyltetracarboxylic dianhydride-co-phenylenediamine)，amicacid)；及其混合物。聚(苯均四酸二酐-共聚-4，4′-二氨基二苯醚)、酰胺酸可以商品名RC5019Pyre-ML自Industrial Summit Technology Co.，Parlin，New Jersey市售得到和聚(联苯四甲酸二酐-共聚-苯二胺)、酰胺酸可以面品名UBE-Varnish-S自UBE America，New York，New York市售得到。
氧化铝纳米颗粒20具有少于100纳米(nm)的平均粒度。在另一个实施方案中，氧化铝纳米颗粒具有约20nm-约50nm的平均粒度。氧化铝纳米颗粒20在涂料14中的量在一个实施方案中为约1％-约10％(重量)和在另一个实施方案中为约1％-约6％(重量)。重量百分数基于涂料14的总重量。
氧化铝纳米颗粒20具有涂布于纳米颗粒外表面的表面处理物。表面处理物包括苯基-硅烷。可使用的合适的苯基-硅烷包括(但不限于)三甲氧基苯基硅烷、三乙氧基苯基硅烷及其混合物。为了向纳米颗粒20涂布表面处理物，将颗粒悬浮于无水甲苯与无水醇例如异丙醇的溶剂混合物中。在一个实施方案中，溶剂混合物包括约10∶1比率的无水甲苯∶无水醇。在另一个实施方案中，溶剂混合物包括约10∶1比率的无水甲苯∶无水异丙醇。纳米颗粒混悬液可用例如悬臂超声波仪(hornsonicator)或任何其它混合设备混合。纳米颗粒混悬液在一个实施方案中回流约2-约4小时，并且在另一个实施方案中回流约3小时。将经回流的混悬液冷却至环境温度，然后过滤以自溶剂混合物除去经处理的纳米颗粒。然后将经处理的纳米颗粒悬浮于与聚酰亚胺相容的极性溶剂中。在另一个实施方案中，经回流的冷却混悬液和与聚酰亚胺相容并且沸点高于制造所述混悬液所用的溶剂的极性溶剂混合。然后减压除去低沸点溶剂，得到经处理的纳米颗粒在极性溶剂中的混悬液。合适的极性溶剂包括(但不限于)N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)。经处理的纳米颗粒在极性溶剂中的混悬液用任何合适的混合设备例如超声波设备和高能混合器比如Cowles混合器充分混合。
通过将经处理的氧化铝纳米颗粒20的混悬液与聚酰亚胺聚合物18混合，制造涂料14。可使用任何合适的混合设备将经处理的氧化铝纳米颗粒的混悬液与聚酰亚胺聚合物混合，例如高能混合器和超声波设备比如悬臂超声波仪。
图2为电磁线制造系统30的示意图，其包括含有缠绕到供线轴32上的未涂布的导电芯线12的供线轴32，和至少一个涂覆模具34(示出两个)。系统30也包括至少一个固化炉36(示出两个)和至少一个冷却隧道38(示出两个)。每一个固化炉36具有多个加热区40、42和44(示出三个)以提供渐变的低温固化周期。在其它的实施方案中，固化炉36可具有比在图2中显示的三个加热区或多或少的区。另外，系统30也包括具有退火冷却隧道48的退火炉46，和卷线轴50。多个导辊52用于引导导电线12通过涂覆模具34、固化炉36、冷却隧道38、退火炉46和退火冷却隧道48并引导至卷线轴50上。在另一个实施方案中，系统30仅包括一个固化炉36、一个冷却隧道38和多个涂覆模具34。涂布的金属线12通过第一涂覆模具34并然后进入和通过固化炉36，然后金属线12通过冷却隧道38并然后通过第二涂覆模具34。然后涂布的金属线12返回传送通过固化炉36和冷却隧道38。涂布的金属线12通过其余的涂覆模具34，并在通过随后的涂覆模具34之间通过固化炉36和冷却隧道38。
图3为制造复合电磁线10的方法60的流程图。方法60在示例性的实施方案中包括：混合62经处理的氧化铝纳米颗粒20与聚酰亚胺聚合物18以形成绝缘涂料14；通过使金属线12通过至少一个涂覆模具34以在金属线12上沉积绝缘涂料14而涂布64导电芯线12；在固化炉36中加热66涂布的金属线12以固化绝缘涂料14；并在冷却隧道38中冷却68涂布的金属线12。在一个实施方案中，固化炉的温度为约350℃-约450℃，并且在另一个实施方案中为约380℃-约410℃。固化炉可具有多个区40、42和44，每一个相继区具有更高的温度。在一个实施方案中，固化炉具有三个区，第一区40具有温度为约350℃-约400℃，第二区42具有温度为约380℃-约420℃，和第三区44具有温度为约400℃-约450℃。在另一个实施方案中，第一区40、第二区42和第三区44分别具有温度为约380℃、400℃和410℃。固化炉36不限于三个区，并且可具有少于三个区或者多于三个区。方法60也包括重复70涂布64、加热66和冷却68的步骤预定次数，以在导电线12上添加多个涂料层。多个涂料层增大绝缘涂料14的厚度至预定厚度。在一个实施方案中，绝缘涂料14具有约38微米(μm)-约76μm的厚度，并且在另一个实施方案中为约45μm-约60μm。方法60进一步包括使涂布的金属线12以约15-约30英尺每分钟的速度通过72具有约425℃-约475℃温度的退火炉；冷却74涂布的金属线12；将涂布的金属线12缠绕76到金属卷线轴50上；在约300℃-约400℃下加热78经缠绕的涂布的金属线12约20-约40分钟；和冷却80经加热的涂布的金属线12的线轴，生成复合电磁线10。
以下实施例仅用于举例说明的目的而展示，并且不意图限制本发明的范围。
实施例1
制备含有经表面处理的氧化铝纳米颗粒和聚酰亚胺的绝缘涂料，然后涂布到导电线上，以产生示例性实施方案的电磁线。
通过在烧瓶中将20g的45nm氧化铝悬浮于200毫升(ml)无水甲苯和40ml无水异丙醇的混合物中，制备经处理的氧化铝。然后，加入3ml苯基三甲氧基硅烷，并在超声波仪66W输出功率下，将混悬液用悬臂超声波仪使用20秒通和4秒断的重复周期进行声波处理10分钟。将含有混悬液的烧瓶在声波处理期间浸没于冰浴中。将所生成的混悬液回流3小时并然后使其冷却至室温。生成的混悬液通过10ml烧结玻璃过滤，首先通过重力，然后使用真空。过滤漏斗用橡胶隔膜加盖，以防湿气接近物料。在过滤20小时之后，在滤器上剩余19.6克经处理的氧化铝。
通过向含有40ml N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)的玻璃管瓶中加入4g经处理的氧化铝，制备经处理的氧化铝与溶剂的溶液。将管瓶加盖并置于超声波仪水浴(42kHz和155W)中，声波处理3-5小时。形成均匀稳定的乳状溶液。
为了制备绝缘涂料，20％UBE-V-S溶液(聚(联苯四甲酸二酐-共聚-苯二胺)、酰胺酸，可自UBE America Co.市售得到)用NMP稀释至10％固体。然后将18g的45nm经处理的氧化铝颗粒加入到NMP中并用悬臂超声波仪混合15分钟。然后将30g的10％固体的UBE-V-S溶液加入到氧化铝和NMP的溶液中。组分用悬臂超声波仪混合30分钟以形成示例性实施方案的绝缘涂料。
通过使导电线通过涂覆模具，将绝缘涂料涂布于导电线(22gauge无氧高导电性(OFHC)软裸铜)。导电线有12个通过各涂覆模具用于涂布绝缘涂料的相继层的通路，和4个通过模具的干通路(dry pass)。用于第一通路的模具具有直径为0.27英寸，用于随后3个通路的模具具有直径为0.26英寸，用于接下来4个通路的模具具有直径为0.27英寸和用于剩余通路的模具具有直径为0.28英寸。在通过模具的每一个通路之间，涂布的金属线在具有三个区的烘箱中加热，温度在第一区为300℃，在第二区为380℃和在第三区为400℃，并然后冷却。然后涂布的金属线以15英尺每分钟通过在450℃温度下的退火炉，并然后冷却。经退火的涂布的金属线缠绕到金属线轴上，在350℃下加热30分钟，并然后使其冷却至室温。
实施例II(比较)
比较电磁线通过用不含氧化铝颗粒的聚酰亚胺绝缘涂料涂布导电线得到制备。
通过将RC5019Pyre-ML溶液(聚(苯均四酸二酐-共聚-4，4′-二氨基二苯醚)、酰胺酸溶液，可自Industrial Summit Technology Co.市售得到)用NMP稀释至10％固体，制备绝缘涂料。
通过使导电线通过涂覆模具，将绝缘涂料涂布于导电线，22gaugeOFHC软裸铜。导电线有16个通过各涂覆模具用于涂布绝缘涂料的相继层的通路。用于开始4个通路的模具具有直径为0.26英寸，用于随后4个通路的模具具有直径为0.27英寸，用于接下来4个通路的模具具有直径为0.28英寸，用于接下来4个通路的模具具有直径为0.29英寸，和用于剩余通路的模具具有直径为0.28英寸。在通过模具的每一个通路之间，涂布的金属线在具有三个区的烘箱中加热，温度在第一区为280℃，在第二区为340℃和在第三区为360℃，并然后冷却。然后涂布的金属线以15英尺每分钟通过在450℃温度下的退火炉，并然后冷却。
实施例III
实施例I电磁线的样品双扭线和实施例II的比较电磁线的样品双扭线的耐热试验得到实施。样品根据NEMA标准用12整圈和6磅牵力自动扭绞为22gauge圆导体。
使用热重分析(TGA)测定样品的95％失重温度。95％失重温度越高，样品的热性能越好。通过将样品的温度逐渐升高并绘制重量(百分数)-温度图进行分析。表1显示实施例I的样品1和2与实施例II的比较样品3、4和5的95％失重温度。样品1和2具有比样品3、4和5的95％失重温度明显更高的95％失重温度。
表1
  样品   95％失重温度(℃)
  样品1(实施例I)   626
  样品2(实施例I)   620
  样品3(实施例II)   565
  样品4(实施例II)   555
  样品5(实施例II)   562
实施例IV
在实施例I和比较实施例II中描述的绝缘涂料的热等级(thermalclass)也通过TGA试验确定。每一种绝缘涂料用254μm刀片以5mm/秒移动进行流延。样品6为在实施例I中描述的绝缘涂料的膜，和样品7为在实施例II中描述的绝缘涂料的膜。如在表2中显示的那样，包括经表面处理的氧化铝纳米颗粒的样品6的绝缘涂料具有307℃的降解温度指数，而样品7的比较涂料仅具有240℃的降解温度指数。
表2
Figure BSA00000644344900091
*基于ASTM E1641计算。
**基于ASTM E1641和ASTM E1877计算。
实施例V
按照ASTM D237(2005)，使实施例III中描述的样品扭线在320℃和340℃的温度下经受一定时间期间的热老化。样品A包括10根用在实施例I中描述的绝缘涂料涂布的扭线，和样品B包括10根用在比较实施例II中描述的绝缘涂料涂布的扭线。样品A在340℃下热老化和样品B在315℃下热老化。每7天对每一根双扭线进行检验通过使665伏特通过双线以确定双扭线是否起作用。表3显示热老化试验结果。具体地讲，样品A中的所有金属线在热老化31天之后仍起作用。相比之下，样品B的所有金属线在320℃下仅热老化7天之后即失效，其比样品A的老化温度低20℃。
表3
该书面描述使用实施例包括最佳方式公开本发明，使本领域任何技术人员能实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统和实施任何所结合的方法。本发明可取得专利权的范围通过权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实施例。如果它们具有非区别于权利要求的文字语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的文字语言无实质性差别的等价结构要素，这样的其它实施例旨在处于权利要求的范围内。

Claims (10)

1.复合电磁线(10)，其包含：
金属线(22)；和
涂布于所述金属线外表面(16)的涂料(14)，所述涂料包含聚酰亚胺聚合物(18)和分散于所述聚酰亚胺聚合物中的多个氧化铝纳米颗粒(20)，所述氧化铝纳米颗粒具有涂布于所述氧化铝纳米颗粒外表面的表面处理物，所述表面处理物包含苯基-硅烷；
所述复合电磁线具有根据ASTM E1641或ASTM D2307(2005)计算的至少300℃的热降解温度指数。
2.权利要求1的复合电磁线(10)，其中所述金属线包含铜和铜合金中的至少一种。
3.权利要求1的复合电磁线(10)，其中所述表面处理物包含三甲氧基苯基硅烷和三乙氧基苯基硅烷中的至少一种。
4.权利要求1的复合电磁线(10)，其中所述聚酰亚胺聚合物(18)包含聚(苯均四酸二酐-共聚-4，4′-二氨基二苯醚)、酰胺酸和聚(联苯四甲酸二酐-共聚-苯二胺)、酰胺酸中的至少一种。
5.权利要求1的复合电磁线(10)，其中所述涂料(14)包含约1％-约6％的所述经表面处理的氧化铝纳米颗粒(20)。
6.权利要求1的复合电磁线(10)，其中所述氧化铝纳米颗粒(20)具有少于约100纳米(nm)的平均粒度。
7.权利要求1的复合电磁线(10)，其中所述氧化铝纳米颗粒(20)具有约20nm-约50nm的平均粒度。
8.制造复合电磁线(10)的方法(60)，所述方法包含以下步骤：
将氧化铝纳米颗粒(20)与聚酰亚胺聚合物(18)混合，以形成聚酰亚胺混合物，所述氧化铝纳米颗粒具有涂布于氧化铝纳米颗粒外表面的表面处理物，该表面处理物包含苯基-硅烷；
通过使金属线通过涂覆模具(34)，用聚酰亚胺混合物涂布金属线(12)；
在约380℃-约410℃的温度下加热涂布的金属线；
冷却涂布的金属线；
使涂布的金属线以约15-约30英尺每分钟的速度通过在约425℃-约475℃的温度下的退火炉(46)，以使涂布的金属线退火；
冷却经退火的涂布的金属线；
将涂布的金属线缠绕到金属线轴上；
在约300℃-约400℃下加热缠绕的金属线约20-约40分钟；和
冷却经加热的缠绕的金属线。
9.权利要求8的方法(60)，其中将氧化铝纳米颗粒(20)与聚酰亚胺聚合物(18)混合的步骤包括将约1％-约6％(重量)的氧化铝纳米颗粒与聚酰胺聚合物混合。
10.权利要求8的方法(60)，其中表面处理物包含三甲氧基苯基硅烷和三乙氧基苯基硅烷中的至少一种，并且聚酰亚胺聚合物包含聚(苯均四酸二酐-共聚-4，4′-二氨基二苯醚)、酰胺酸和聚(联苯四甲酸二酐-共聚-苯二胺)、酰胺酸中的至少一种。
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