CN104185876A - 旋转机械用的绝缘材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于旋转机械如电动机和发电机的绝缘材料及其应用。本发明首次公开了一种含填料的绝缘材料，该填料并非仅基于单峰的纳米颗粒粒度分布。借此，非常有利于在待绝缘的基底上形成现场保护层。

Description

旋转机械用的绝缘材料
本发明涉及用于旋转机械如电动机和发电机的绝缘材料及其应用。
电气机械如电动机和发电机具有电导体、电绝缘和定子叠片铁心。绝缘体系的可靠性对其运行安全性起决定性作用。绝缘体系的任务是使电导体(导线、线圈、棒)长期地相互绝缘并对定子叠片铁心或外界绝缘。在高压绝缘内，区分为部分导体之间的绝缘(部分导体绝缘)、导体或线圈之间的绝缘(导体绝缘或线圈绝缘)和槽-和绕组-头部区域中的导体和机壳电位之间的绝缘(主绝缘)。主绝缘的厚度不仅适配于该机械的额定电压，也适配于运行条件和制造条件。将来的用于发电的设备的竞争能力、其分布和利用决定性地取决于为绝缘所使用的材料和应用的技术。
这类带电的绝缘体中的主要问题在于所谓的局部放电引起的侵蚀。在机械运行时机械负荷或热负荷的情况下，在绝缘和导体之间或在绝缘和定子叠片铁心之间的界面上会形成空腔，在空腔中由于局部放电会产生火花。通过火花可在该绝缘中形成所谓的“树枝状”通道。最终，此形成的树枝状通道可导致绝缘的电击穿。基于此原因，现有技术是，为持续绝缘，旋转机械(电动机、发电机、涡轮发电机、水力发电机、风力发电机)中定子的带电压的导体使用基于云母的绝缘材料。
现今，在高压电动机和中压电动机和高压发电机和中压发电机中使用层状云母绝缘体。在此种情况下，由绝缘的绕组线段制备的成型线圈用云母带缠绕，并优先在真空-压力-过程中(VPI＝真空压力浸渍)中用人造树脂浸渍。对此，云母以云母纸的形式使用，由此在浸渍过程中，位于云母纸中各颗粒间的空腔被树脂所填充。浸渍树脂和云母的载体材料的复合提供了该绝缘的机械强度。电气强度由所用云母的大量的固-固界面产生。该如出产生的由有机和无机材料构成的层形成微观界面，其抗局部放电和抗热应力的稳定性由云母片的特性确定。通过复杂的VPI-过程还必需用树脂充满绝缘中最小的空腔，以使内部的气-固-界面的数目最小化。
为进一步改进稳定性，还述及使用纳米颗粒的填料。由文献(和通过使用云母的经验)已知，与聚合物绝缘材料相反，在局部放电作用下无机颗粒不会或仅在非常有限的范围内受损或遭破坏。在此，产在的抑制侵蚀的效应尤其取决于颗粒直径和由此产生的颗粒表面积。这表明，颗粒的比表面积越大，对颗粒的抗侵蚀性作用就越强。无机纳米颗粒具有非常大的比表面积，即50 m2/g或更大。
为此，主要使用下列技术：
· 真空-压力-浸渍技术(VPI-过程)
· 富含树脂 (Resin Rich)技术
该两种技术之间的主要区别是线圈的实际绝缘体系的结构和制备。在VPI体系中绕组经浸渍和在循环空气炉中硬化后才制成，而单独在温度和压力下硬化的富含树脂线圈的铁心在安装进定子之前已是起作用的和可检验的绝缘体系。
VPI-过程使用多孔带，其在真空和接着的对浸渍容器施加过压下，经在循环空气炉中硬化后形成牢固的和连续的绝缘体系。
与此相反，制备富含树脂的线圈是复杂的，因为每个线圈铁心或绕组棒必须以特定的烘焙压制单独制备，这导致各个线圈的成本可比增加。在此使用浸渍有聚合物绝缘材料的云母带，该绝缘材料以所谓的B-状态存在。这意味着该聚合物，大多为芳族环氧树脂(BADGE、BFDGE、环氧化的酚醛树脂、环氧化的甲酚-线型酚醛树脂和酸酐或胺作为硬化剂)，是部分交联的，并因此具有无粘性状态，但在再次加热时又重新熔化并且随后可硬化，以由此最终成型。因为以过量引入该树脂，所以在接着的压制中树脂可流入所有的空腔和空穴中，以达到相应的绝缘品质。多余的树脂通过压制过程从容器中压出。由文献已知，在聚合物绝缘材料中使用纳米颗粒填料明显改进了在电气使用寿命方面的绝缘。
EP 1366112 B1中描述了一种体系，该体系述及纳米颗粒聚合物的制备和特性。其中描述含基于二氧化硅的纳米颗粒填料的聚合物，该二氧化硅的分布曲线的最大半值宽度为1.5 dmax。
那里所提出的解决办法的缺点在于，在形成钝化层方面，所提出的绝缘仍并非是最佳的。当充填纳米颗粒的聚合物经受局部放电时，由于施加绝缘材料形成钝化层。在局部放电作用下该聚合物基质降解，并释放出填料即例如纳米颗粒，然后该纳米颗粒在表面上形成牢固粘附的层，并由此钝化该覆盖有绝缘的基体。在上述EP 1366112 B1的情况下，形成该鈍化层的持续时间长，并且附聚作用不完全。
因此，本发明的目的是提供用于绝缘材料的填料，该填料在局部放电作用和聚合物基质分解时有助于形成侵蚀-钝化保护层。
本发明的目的的解决方案和主题是一种绝缘材料，该绝缘材料包含含树脂和嵌于该树脂中的纳米颗粒填料的配制品，其特征在于，该填料以至少双峰的粒度分布存在。此外，本发明的主题是根据本发明的绝缘材料在浸渍旋转机械中的，优选发电机中的线圈绕组中的应用。
优选是这样一种绝缘材料，该绝缘材料包含可热聚合和/或可通过UV-光聚合的配制品，该配制品具有分散于其中的纳米颗粒填料，该填料借助于透射电子显微镜表征的分布曲线的半值宽度大于1.5 dmax。
通常对本发明的理解是，基于聚合物树脂的未经充填的或云母基的绝缘材料在局部放电作用下出现聚合物基质的快速分解。通过使用耐侵蚀的纳米颗粒如氧化铝和氧化硅，导致由于聚合物降解使其显露。隨侵蚀时间不断延长，在经涂敷的基体表面上逐渐形成牢固粘附的由显露的纳米颗粒的层构成的平面层。通过该表面的原位钝化保护了在钝化层下的聚合物免受进一步的局部放电侵蚀。该钝化层的形成在此特别取决于分散进的纳米颗粒的粒度和百分比，因为该颗粒间的间距对纳米颗粒之间的聚合物基质的降解和由此对该钝化层的随时间的形成起决定性作用。
图1示出在覆盖有绝缘材料的基体表面上由于聚合物基质的降解形成钝化层的图示。
图2示出侵蚀深度与填料含量之间的关系。
图3示出根据本发明的示例性实施方案的颗粒粒度分布。
图4示出本发明的示例性实施方案的另一种颗粒粒度分布。
在图1中看出，钝化层的模型经历多个阶段直至形成保护层。在第一过程中，纳米颗粒间的纯聚合物被侵蚀，这导致纳米颗粒的浓集。局部放电形式的能量的进一步吸收造成纳米颗粒的局部烧结过程。通过该机理形成陶瓷层，该陶瓷层保护位于其下的未经侵蚀的纳米颗粒聚合物免受进一步侵蚀。
可表明，使用至少两种不同类型和/或尺寸的且其颗粒直径明显不同的纳米颗粒导致具有特别出色的耐侵蚀性的纳米复合材料。双峰分布已表明是有利的，在另一些实施方案中优选多峰的颗粒级分。
这在上述用于形成钝化层的图1和图2的简述中可示意性地理解。在局部放电的作用下，导致该纳米颗粒通过化学或物理过程附聚，该附聚最终形成钝化的保护层。通过至少两种不同尺寸的纳米颗粒的组合有助于该过程，因为在TE-作用下，具有较小直径和相应较大活性表面的纳米颗粒有助于附聚或局部烧结过程，并因此更快地导致耐侵蚀层的形成。其优点是
- 可保持具有小直径的纳米颗粒的低浓度，这不仅在经济上而且由化学观点看是有价值的，因为可更好地控制如粘度、反应性和贮存稳定性等特性。
- 同时可利用较小的纳米颗粒的有利特性，如大的比表面积。
按本发明，将纳米颗粒分散于树脂如环氧树脂中，该纳米颗粒的分布曲线的最小半值宽度为1.5 dmax。因此，按本发明的一个实施方案，该分布曲线的最小半值宽度为1.55 dmax，特别是1.6 dmax或更高的值。
这描述一种不仅包含一种纳米颗粒粒度还包含多种纳米粒度级分的颗粒分布。
按本发明的一个有利的实施方案，该纳米颗粒单分散地分散在填料中。
按本发明的另一个有利的实施方案，该填料中的纳米颗粒基于金属氧化物、半金属氧化物和特别优选基于二氧化硅和/或氧化铝。
按本发明的另一个有利的实施方案，所述在其中分散有填料的聚合物基质是环氧树脂，例如基于双酚如双酚-A和/或双酚-F的二环氧甘油醚。
按本发明的一个实施方案，该树脂还包含硬化剂，例如酸酐-硬化剂如甲基四氢邻苯二甲酸酐和/或甲基六氢邻苯二甲酸酐。
按本发明的另一个有利的实施方案，该树脂还包含加速剂，例如胺衍生物和/或环烷酸盐。
按本发明的另一个有利的实施方案，该填料包含粒径在1-200 nm，特别是1-150 nm范围，和非常优选在1-80 nm范围的纳米颗粒级分。
按本发明的一个有利的实施方案，该填料的平均直径D50为1-500 nm，优选1-300 nm，特别优选1-100 nm。
按本发明的另一个有利的实施方案，绝缘材料中的填料量为整个配制品的1-80重量%，特别是1-60重量%，特别优选在1-50重量%的范围。
通过使用分布曲线半值宽度大于1.5 dmax的颗粒级分，不仅在选择和制备纳米复合材料方面而且在该复合材料的品质保证方面均产生重要优点。该颗粒分散体优选通过溶胶-凝胶-过程制备。为调节所需的粒度分布，也可组合不同的颗粒分散体。按现有技术，粒度的表征优选根据借助透射电子显微镜术(缩写为TEM)的照片对粒径进行手工或自动评价。
图3中示例性示出本发明的一个实施例的粒度分布。该显示的用于填料的颗粒体系以图示给出，其中示出颗粒直径区间为1 nm的各粉末级分的百分比。该颗粒混合物表明，其dmax即分布曲线上具有相应粒度的最大比例的峰在9 nm处。该分布曲线的半值宽度由相对于dmax的半高处的以nm给出的分布曲线的宽度给出。在该颗粒组成中，该分布曲线的半值宽度为1.6 dmax。
最后，图4示出与图3相当的示图，但是是本发明的另一实施例，在该实施例中示出具有氧化铝颗粒和二氧化硅颗粒的体系。图4中所示的粒度分布表明在9 nm处的该图的dmax。由此得出该分布曲线的半值宽度为1.7 dmax。
本发明首次公开了一种含填料的绝缘材料，该填料并非仅基于单峰的纳米颗粒粒度分布。借此，非常有利于在待绝缘的基体上形成原位保护层。

Claims (7)

1.绝缘材料，其包含含树脂和嵌于所述树脂中的纳米颗粒填料的配制品，其特征在于，所述填料以至少双峰的粒度分布存在。
2.根据权利要求1的绝缘材料，其特征在于，所述配制品基于树脂如环氧树脂，其特征在于，所述树脂可热聚合和/或可通过UV-光聚合。
3.根据前述权利要求之一的绝缘材料，其特征在于，所述分散于其中的纳米颗粒填料具有借助于透射电子显微镜表征的大于1.5 dmax的分布曲线的半值宽度。
4.根据前述权利要求之一的绝缘材料，其特征在于，所述填料的平均直径D50为1-500 nm。
5.根据前述权利要求之一的绝缘材料，其特征在于，所述填料基于金属氧化物和/或半金属氧化物。
6.根据前述权利要求之一的绝缘材料，其特征在于，所述填料在所述配制品中的量为1-80重量%。
7.根据前述权利要求1-6之一的绝缘材料在浸渍电旋转机械中优选发电机中的线圈绕组中的应用。
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