CN106887280B - 具有环绕电气绝缘的电导体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电导体，该电导体具备环绕该导体1的电气绝缘系统，该绝缘包括环绕该导体的第一绝缘层2和环绕该第一绝缘层2的第二绝缘层3。该第二绝缘层3包括第二聚合物以及氧化铬(Cr2O3)形式的、氧化铁(Fe2O3)形式的或者氧化铬和氧化铁的混合物形式的第二填充物，其中，该第一绝缘层2包括第一聚合物以及包括有分散的纳米粒子的第一填充物。

Description

具有环绕电气绝缘的电导体
本申请是申请日为2011年6月21日、申请号为201180029276.7、发明名称为“具有环绕电气绝缘的电导体”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及具备环绕电气绝缘系统的电导体。
背景技术
已知具备用氧化铬(Cr2O3)或氧化铁(Fe2O3)的粒子来填充的涂料形式的电气绝缘的电导体对于局部放电提供极好的抵抗性。这些类型的绝缘电导体典型地使用在电动机中并且随后被称为漆包线。
通过参考的方式合并入本文的EP 356929A1给出了具有包括底涂层和顶涂层的绝缘涂层系统的漆包线的实例。该顶涂层包括例如聚酰胺酯(PEA)的有机聚合物以及平均粒子大小为0.005-30μm优选0.15-10μm的氧化铬粒子或氧化铁粒子形式的填充物。将顶涂层应用到环绕导体的聚酯或聚酯酰亚胺(PEI)的底涂层上。氧化铬粒子的数量必须足够高，以便形成渗透结构。这样，在顶涂层上实现104-108欧姆米的本征电阻率，其将在放电下电屏蔽绝缘系统。因此，防止绝缘涂层的电蚀的开始。在顶涂层被穿透或开裂之后，电蚀相当快速的通过底涂层进行。上述类型的绝缘系统的一个缺点在于，随着对绝缘涂层抵抗高电场的需求的增加需要更大数量的氧化铬。随着这个更大数量的氧化铬，绝缘系统的机械特性降低。由于例如在电动机的制造期间漆包线受到弯曲，绝缘系统有必要具有极好的机械特性，诸如极好的弯曲强度。
特别是对于低压频率转换器控制的电动机，日益需要导体绝缘涂层抵抗闪络电压，其中闪络电压可以引起导体的绝缘系统中的局部放电，以及随后可能的绝缘系统的电蚀。因此需要一种用于金属导体诸如电线的电气绝缘系统，该电气绝缘系统比如今的绝缘系统对局部放电具有类似的或更高的抵抗性。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种具有对电气绝缘系统中的局部放电的高抵抗性的绝缘电导体。本发明的另一个目的在于提高绝缘电导体的电气绝缘系统的机械性能。
通过提供电导体来实现那些目的，其具备环绕该导体的电气绝缘系统，该绝缘系统包括环绕该导体的第一电气绝缘层和环绕该第一绝缘层的第二电气绝缘层。该第二绝缘层包括第二聚合物以及氧化铬(Cr2O3)形式的、氧化铁(Fe2O3)形式的或者氧化铬和氧化铁的混合物形式的第二填充物，其中，该第一绝缘层包括第一聚合物以及包括有分散的纳米粒子的第一填充物。
该纳米粒子优选地良好地分散在该第一聚合物中，这意味着只要该分散被执行使得聚结最小化并且该纳米粒子基本上均质地分布在第一聚合物中，该第一聚合物中的纳米粒子的分散可以以任意常规方式传导。
通过组合具有良好分散的纳米粒子的该第一绝缘层以及用氧化铬粒子和/或氧化铁粒子填充的该第二绝缘层的绝缘系统，获得绝缘系统对于放电的极好的屏蔽和抵抗性，并且因此获得绝缘导体的寿命增加。相信氧化铬和/或氧化铁填充物增加该第一绝缘层的表面层的电导率，以足以针对极其集中的电晕放电效应在大表面上驱散，因此相当大地降低电晕放电的影响。
此外，与现有技术导体相比，通过具有氧化铬和/或氧化铁填充的聚合物基质的绝缘系统，提高了该电气绝缘系统的弯曲强度。相比该第二绝缘层，包括有配置在该导体与该第二电气绝缘层之间的纳米粒子的该第一绝缘层更易延展，并且因此将提高整个电气绝缘系统的柔韧性。
包括纳米粒子的该第一电气绝缘层还将使得能够在该第二绝缘层中使用比包括氧化铬和/或氧化铁的已知的绝缘系统中更低的氧化铬和/或氧化铁含量，因为即使该第二电气绝缘层由于局部放电而开裂，该第一绝缘层即位于该导体与该第二绝缘层之间的层仍然将给予该绝缘系统对于局部放电高的抵抗性。
根据一个实施方式，氧化铬和/或氧化铁的第二填充物是该第二绝缘层的体积的10-40％的数量，优选地是该第二绝缘层的体积的10-30％的数量。从而获得对于局部放电的提高的屏蔽以及获得整个绝缘系统的提高的机械性能。
根据一个实施方式，该第二填充物具有0.005-30μm的平均粒子大小，优选地具有0.010-15μm的平均粒子大小，并且最优选地具有0.15-10μm的平均粒子大小。通过该实施方式，获得对于局部放电的进一步提高的屏蔽。
根据一个实施方式，该第二填充物具有104-108欧姆米的电阻率。
根据一个实施方式，该第二聚合物是以下聚合物中的至少一个聚合物：聚酯、聚酯酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚酰胺酯、聚酰亚胺、聚亚安酯、环氧树脂以及聚酰胺。
根据一个实施方式，该第二绝缘层具有5-50μm的厚度。
根据一个实施方式，该第一聚合物是以下聚合物中的至少一个聚合物：聚酯、聚酯酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚酰胺酯、聚酰亚胺、聚亚安酯、环氧树脂以及聚酰胺。
根据本发明的一个实施方式，该纳米粒子包括以下之中的至少一个：二氧化硅(硅石SiO2)、氧化铝(铝土Al2O3)、氧化锌(ZnO)、二氧化钽(TiO2)、钛酸钡(BaTiO3)、氧化镁(MgO)和蒙脱石(MMT)粘土。
根据一个实施方式，该纳米粒子被接枝到该聚合物基体。该第一绝缘层的该聚合物基体中的良好分散并且化学键合的纳米粒子导致对于局部放电的进一步提高的抵抗性以及导致具有极好的弯曲强度的易延展材料。在诸如电线的该导体的机械变形之后，在该绝缘层之中的该粒子与该聚合物基体之间没有形成空隙。空隙缺失与诸如例如二氧化硅(SiO2)的抗蚀填充物相组合，导致局部放电期间的低电蚀。
根据一个实施方式，该第一绝缘层中的纳米粒子是该第一层的体积的1-40％的数量。从而获得对于局部放电的提高的抵抗性以及还获得整个绝缘系统的提高的机械性能。
根据一个实施方式，该第一绝缘层中的纳米粒子具有1-200nm的平均粒子大小。从而获得对于局部放电的提高的抵抗性以及还获得绝缘系统的提高的机械性能。
根据一个实施方式，该第一绝缘层具有20-120μm的厚度。
根据一个实施方式，该第二绝缘层的厚度是该第一绝缘层的厚度的10-25％，优选地是该第一绝缘层的厚度的15-20％。通过该第一绝缘层与该第二绝缘层之间的该比率，进一步提高该绝缘系统的机械特性和弯曲强度。
根据一个实施方式，该第二绝缘层环绕该第一绝缘层并且被直接应用到该第一绝缘层上，以致该第二绝缘层与该第一绝缘层接触。
根据一个实施方式，该绝缘系统是漆包绝缘系统。
根据一个实施方式，在该第一绝缘层与该第二绝缘层之间配置附加层。例如，应用该附加层以提高该第一层与该第二层之间的粘附。根据本发明的一个实施方式，该附加层具有比该第一绝缘层或该第二绝缘层更薄的厚度。
根据一个实施方式，提供了一种具有包括如权利要求1-14中的任意一个所述的电导体的绕组或线圈的电机。该电动机优选是低压电机。根据一个实施方式，该电动机是低压频率转换器控制的电动机。根据一个实施方式，提供了一种具有包括如权利要求1-14中的任意一个所述的电导体的绕组的变压器。由于已证明根据上述实施方式的任意一个的电导体对于局部放电具有极好的抵抗性，所以还将提高包括该电导体的线圈或绕组的电动机、变压器或其他电气设备的特性。
附图说明
将参考附图，通过实施方式的描述更详细地说明本发明，其中：
图1是根据本发明的第一实施方式的绝缘导体的横截面，以及
图2是示出对于四种不同类型的漆包线的生命周期曲线的图。
具体实施方式
图1显示了电绝缘导体1的横截面，其中，由包括第一电气绝缘层2的电气绝缘系统环绕金属电线形式的导体，其中第一电绝缘层2包括具有良好分散的二氧化硅纳米粒子的聚合物基体。该二氧化硅被接枝到该聚合物基体，例如聚酯或聚酯酰亚胺(PEI)。纳米粒子具有1-200nm的平均粒子大小。
包括用具有0.15-10um的平均粒子大小的氧化铬(Cr2O3)填充的聚酰胺酯的聚合物基体的第二绝缘层3环绕第一绝缘层。
根据这个实施方式的金属线具有圆形横截面并且由铜制造；但是也可以使用其他形式的导体诸如异形电线和其他常规的导体材料诸如铝。
以常规的方式应用涂层，使得电线多次通过包括具有填充物的涂料的镀槽，随后通过擦拭硬模或毡制品，以及通过用于硬化涂层的加热设备。为了在导体1上应用第一层2，该电线典型地穿过包括第一聚合物和良好分散的纳米粒子的涂料的镀槽，并且其后通过随后的擦拭步骤和加热步骤。这个重复8-12次，以致对于第一绝缘层获得20-120μm的厚度(t1)。
通过使得具有第一绝缘层1的电线穿过具有第二聚合物和第二填充物(典型地是氧化铬)的涂料的镀槽，并且其后通过随后的擦拭步骤和加热步骤，以对应的方式应用第二绝缘层3。这个重复2-3次，以致对于第二层获得5-50μm的厚度(t2)。
用于第一绝缘层2和第二绝缘层3的涂层的数量取决于将要使用该漆包线的电动机上的电压电位。用于漆包线的绝缘层的总厚度一般被称为特定绝缘等级。
在根据图1的实施方式中，通过用涂料来涂覆金属电线，将第一绝缘层2直接施加到电线上，但是，也可以在导体1与第一绝缘层2之间配置中间环绕层，以增加导体与绝缘系统之间的粘附。
根据另一个示例性实施方式，在第二绝缘层3外部并且环绕第二绝缘层3配置第三绝缘层(未显示)。第三层可以直接被施加到第二层上并且机械地保护第二绝缘层。第三绝缘层可以由未填充的聚合物制造并且该聚合物优选地与该第二层具有相同的类型，即以下之中任意一个：聚酯、聚酯酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚酰胺酯、聚酰亚胺、聚亚安酯、环氧树脂和聚酰胺。
图2中的图表显示了基于属类不同的绝缘涂层的四种不同的漆包线的生命周期曲线。曲线1涉及具有常规底涂层和常规顶涂层的漆包线。曲线2涉及具有纳米填充的底涂层和常规顶涂层的漆包线。曲线3涉及具有常规底涂层和防电晕顶涂层(即包括氧化铬和/或氧化铁填充物的涂层)的漆包线。曲线4涉及具有纳米填充的底涂层和防电晕顶涂层的漆包线。纳米填充的底涂层可以是根据关于图1公开的实施方式的涂层。该生命周期曲线基于1.12mm导体直径并且绝缘等级在50Hz AC电压和在140℃时为二级的圆形双绞电线对的击穿时间测量。施加的电压应力已经高于全部情况中的局部放电起始电压(PDIV)。该生命周期曲线已经被曲线拟合到实验数据。
从图2中的曲线可以看出，根据本发明的一个实施方式的具有纳米填充的底涂层和防电晕顶涂层的漆包线(曲线4)显然具有最佳的电压承受性能，其中相对于其他类型的电线，它的生命周期随着电压应力的减小而增加。
在弯曲测试中也已经显示，与具有常规底涂层并且具有防电晕顶涂层的漆包线(样本B)相比，对于具有纳米填充的底涂层和防电晕顶涂层的漆包线(样本A)，提高了漆包线的机械性能。并且，测试了具有纳米填充的底涂层和常规顶涂层的漆包线(样本C)。所有样本都由1.12mm导体直径并且绝缘等级为二级的圆形漆包线制造。
通过将样本弯曲过2mm测试弯曲靠模以形成具有数匝的线圈来执行弯曲测试。其后样本在48小时期间内在200℃的熔炉内老化。在该老化之后，检查该样本的表面并且其显示出样本A和样本C在漆包层的外表面没有裂纹，而样本B在漆包层的外表面有裂纹。相信对于样本A而言，被配置在第二绝缘层之下的纳米填充的第一绝缘层在绝缘层中分配机械应力，以致漆包层较不易于开裂。
本发明不限于以上所示实施方式，本领域技术人员当然可以在如权利要求所限定的本发明的范围内以多种方式修改它们。因此，本发明不限于如以上两个实施方式中所示的具有圆形横截面的导体电线，而是可以应用于棒型、带型或条型的导体，即该导体以圆形或多角形恒定横截面延长。该绝缘导体可以使用在用于电动机的绕组中、用于变压器的绕组中以及用于其中的导体的绝缘可能受到电晕放电的其他电气设备的绕组中。

Claims (19)

1.一种电导体(1)，其具备环绕所述电导体的电气绝缘系统，所述电气绝缘系统包括环绕所述导体的第一电气绝缘层(2)和环绕所述第一电气绝缘层(2)的第二电气绝缘层(3)，其中所述第二电气绝缘层(3)包括第二聚合物以及氧化铬Cr2O3形式的、氧化铁Fe2O3形式的或者氧化铬和氧化铁的混合物形式的第二填充物，其特征在于，所述第一电气绝缘层(2)包括第一聚合物以及包括有分散的纳米粒子的第一填充物，其中所述第二填充物具有0.005-30μm的平均粒子大小，并且其中在所述第一电气绝缘层与所述第二电气绝缘层之间配置有附加层。
2.根据权利要求1所述的电导体，其中所述第二填充物具有所述第二电气绝缘层的体积的10-40％的数量。
3.根据权利要求2所述的电导体，其中所述第二填充物具有所述第二电气绝缘层的体积的10-30％的数量。
4.根据权利要求1所述的电导体，其中所述第二填充物具有0.010-15μm的平均粒子大小。
5.根据权利要求4所述的电导体，其中所述第二填充物具有0.15-10μm的平均粒子大小。
6.根据权利要求1-3中的任一项所述的电导体，其中所述第二填充物具有104-108欧姆米的电阻率。
7.根据权利要求1-3中的任一项所述的电导体，其中所述第二聚合物是以下聚合物的至少一个：聚酯、聚酯酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚酰胺酯、聚酰亚胺、聚亚安酯、环氧树脂以及聚酰胺。
8.根据权利要求1-3中的任一项所述的电导体，其中所述第二电气绝缘层(3)具有5-50μm的厚度。
9.根据权利要求1-3中的任一项所述的电导体，其中所述第一聚合物是以下聚合物的至少一个：聚酯、聚酯酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚酰胺酯、聚酰亚胺、聚亚安酯、环氧树脂以及聚酰胺。
10.根据权利要求1-3中的任一项所述的电导体，其中所述纳米粒子是以下之中的任意一个：二氧化硅、氧化铝、氧化锌、二氧化钛、钛酸钡、氧化镁和蒙脱石粘土。
11.根据权利要求1-3中的任一项所述的电导体，其中所述第一电气绝缘层(2)中的所述纳米粒子具有所述第一电气绝缘层的体积的1-40％的数量。
12.根据权利要求1-3中的任一项所述的电导体，其中所述第一电气绝缘层(2)中的所述纳米粒子具有1-200nm的平均粒子大小。
13.根据权利要求1-3中的任一项所述的电导体，其中所述第一电气绝缘层(2)具有20-120μm的厚度(t2)。
14.根据权利要求1-3中的任一项所述的电导体，其中所述第二电气绝缘层的厚度(t1)是所述第一电气绝缘层的厚度(t2)的10-25％。
15.根据权利要求14所述的电导体，其中所述第二电气绝缘层的厚度(t1)是所述第一电气绝缘层的厚度(t2)的15-20％。
16.根据权利要求1-3中的任一项所述的电导体，其中所述电气绝缘系统是漆包绝缘系统。
17.一种具有包括根据权利要求1-16中的任意一项所述的电导体的绕组或线圈的电动机。
18.根据权利要求17所述的电动机，其中所述电动机是低压频率转换器控制的电动机。
19.一种具有包括根据权利要求1-16中的任意一项所述的电导体的绕组的变压器。
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