CN1071060C - 一种电绝缘片状材料 - Google Patents

Abstract

一种电绝缘线圈，其特征在于，环绕用于电绝缘线圈的电导体绕制的绝缘层是通过将在片状电绝缘材料的衬底部分上的厚度为0.2-1微米，直径40-250微米的各玻璃片状粉末层进行层压和利用半固化的热固性树脂进行浸渍而形成的。因此，使该电绝缘线圈具有优异的局部放电抵抗能力以及具有高绝缘击穿强度，即使是当产生大的机械变形时也能实现。

Description

一种电绝缘片状材料

本发明涉及一种用于电绝缘的片状材料，更具体地是涉及适用于电绝缘线圈的电绝缘的片状材料，该线圈为高压电机、特别是高机械强度电机所需用。

用于常规电机例如电动发电机的电绝缘线圈的制造或者是利用由玻璃纤维织物和层压云母或片状粉末云母构成的干式电绝缘带通过将其环绕线圈导体绕制，将其浸渍热固性树脂，然后，成形加热、固化，或者是利用一种通过预先将热固性树脂浸渍到电绝缘带上形成的半固化的预浸处理的绝缘带，通过将其环绕线圈导体绕制成形并在此之后加热、完全固化而完成的。

在上述常规电绝缘线圈中，使其电绝缘强度设计得基本上由层压云母来承受，使其机械强度设计得基本上由片状粉末云母或玻璃纤维织物来承受。

然而，片状粉末云母的缺点是绝缘电阻和机械强度都相对较低，而玻璃纤维织物的缺点是绝缘电阻低，这是因为其对放电闪流没有阻挡效应，因而，存在的问题在于即使是由低机械强度的层压云母构成的复合结构也不能提供足够的绝缘电阻。

为了改进上述机械强度，通过测量已知一种玻璃片状粉末型片状材料，例如公开在JP(U)-B-48-4851(1973)中。该玻璃片状粉末型片状材料的构成类似于利用通过磨碎玻璃细屑而预制的片状物和例如为玻璃纤维织物的衬底部分而形成纸状制品，使得因此而形成的玻璃片状粉末型片状材料具有的机械强度优于按类似方式构成的层压云母片状材料。

然而，常规的玻璃片状粉末是通过膨胀(inflation)处理制备的其中一种玻璃薄膜片，在该处理过程中，熔化的玻璃被膨胀充入一个大球并冷却，在此之后磨碎成为玻璃薄膜粉末。因此，该片状粉的尺寸大，它的厚度大于5微米，直径大约400微米，此外，当层压时，片状粉末的相互粘接可能不足，这是因为各个片状粉末的球形表面构形所致，因此，不可能得到如上所述的片状粉末的足够的阻挡效应，这就加剧了电绝缘片状材料的局部放电抵抗能力不足的缺点。

本发明的目的是提供一种用于电绝缘的片状材料，其采用的玻璃片状粉末的绝缘电阻和局部放电抵抗能力高于常规材料。

为此，本发明提供一种电绝缘片状材料，其特征在于，所述片状材料是通过在一种电绝缘材料的片状衬底部分上进行溶胶-凝胶处理制备的含有玻璃片状粉末的层进行层压而形成的。

本发明的特征在于使用玻璃片状粉末，与常规材料相比，其具有高的机械强度和优异的绝缘电阻。这种玻璃片状粉末例如是通过将由溶胶-凝胶处理制备的玻璃薄膜磨碎预制的。

通过使用本发明的玻璃片状粉末制得的电绝缘片状材料，制造具有高电压承受特性以及优异的机械强度的电绝缘线圈。

上述溶胶-凝胶处理是指其中利用如下化学式(1)表示的金属醇盐(alkoxide)用作原料；

M(OR)_n    …(1)其中M代表一个n价的金属原子，R是低的烷基，通过将水添加到该原料中，通过水解作用和接续的凝结作用产生胶体溶液并且在其后引起溶胶-凝胶变换。因此在一平板上形成因此过程而得到的呈凝胶状态的及呈润湿状态的原料并被干燥，在此之后，通过逐渐加热到预定的温度进行烧结，例如在醇盐硅(Silicon alkoxide)的情况下为500-1000℃。

Si、Al、Ti和Ta可以用作在上述化学式中的金属M，然而，Si对金属M来说是优选的。当采用通过选择Si用作成分M而确定的醇盐硅时，与常规的材料相比可以得到高纯的SiO₂玻璃片状粉末。

上面所述的溶胶-凝胶处理包含如下的特征，可以得到纯成分的玻璃，对于确定所形成的玻璃薄膜的形状允许有很大的自由度，并且可以大量地制得大的几个亚微米厚度的玻璃薄片。特别是，利用溶胶-凝胶处理可以制得利用常规的膨胀处理所不可能制得的、具有薄的薄片厚度、小的直径和扁平形状的玻璃片状粉末。利用溶胶-凝胶处理制得的这种玻璃片状粉末的一个实例是SG玻璃片状粉末(Nihon平板玻璃制造公司的产品)。

通过按与制纸相同的方式将上述玻璃片状粉末散布在玻璃纤维织物的衬底部分上制得电绝缘片状材料。此外，当将因此制得的电绝缘片状材料用一种利用如一种溶剂稀释的热固性树脂进行浸渍，然后溶剂被干燥并且在此之后在预定的温度下加热，以使被浸渍的树脂处于半固化状态(使之进入B阶段)，得到一种玻璃片状粉末半固化片。

要浸渍的树脂的类型不受局限，假如该树脂适于制备，例如常规的玻璃半固化片的话，然而，从它们的绝缘特性和耐热能力来看，环氧树脂系列是优选的。此外，假如能使待浸渍的树脂充分地溶解，任何溶剂都可采用。

作为用于上述玻璃片状粉末半固化片的衬底部分，玻璃纤维织物是非常通用的，然而，例如液晶聚合物的纺织品或非纺织品，例如聚酰胺和聚酯都可以根据使用目的予以采用。

此外，由于与云母片状粉末相比，玻璃片状粉末显现较高的抗拉变形破坏强度，因此，当这些玻璃片状粉末像层压云母一样被层压时，可以得到具有高机械强度的片状电绝缘材料。为了制备这种电绝缘片状材料，厚度0.2-1微米、直径(片状粉末的尺寸大小)40-250微米的玻璃片状粉末是优选的。

玻璃片状粉末具有高的绝缘电阻和良好的局部放电抵抗能力。不必要澄清为什么采用本发明的玻璃片状粉末的电绝缘片状材料和半固化片，关于上述电阻等具有优异的特性，然而，由于玻璃片状粉末的厚度为几亚微米数量级，直径(片状粉末尺寸大小)小到低于250微米，而且通过层压玻璃片状粉末形成的绝缘层是紧密的，会理解，对于沿竖直方向的放电闪流，玻璃片状粉末的阻挡效应增加了。

特别是，通过溶胶-凝胶处理所制备的玻璃片状粉末的平整度与通过常规的膨胀处理相比较是想望的，因此，当层压时在各玻璃片状粉末之间的粘接是优异的，显微空隙的产生是有限的，因而可以理解，上述优异特性是可实现的。

附图简要介绍：

图1是表示根据本发明一个实施例的电绝缘片状材料的υ-t特性的附图；

图2是在一个实施例中所用的电绝缘线圈的横断面示意图；

图3是在另一实施例中所用的具有两个电绝缘层的另一种电绝缘线圈的横断面示意图；

图4是用于对本发明的一个实例的电绝缘线圈的弯曲变形-绝缘击穿特性进行比较的附图；

图5是表示采用本发明的玻璃片状粉末和层压云母所形成的电绝缘线圈的弯曲变形特性的附图；

图6是汽轮发电机的转子和定子的示意图；

图7是托克马克型核聚变装置的示意图。

〔实施例1〕

根据溶胶-凝胶处理制备的Si系列玻璃片状粉末(SG玻璃片状粉末，Nihon玻璃板制造公司产品，厚度为0.5微米，直径为40-150微米)散布在一种溶液中(丁酮/乙基溶纤剂溶液，Solution ofmethyl ethyl ketone/ethyl cellosolve)，该溶液包含按重量计2％的苯氧树脂，作为粘接剂，按照与制纸相同的方式在玻璃纤维织品(厚度35微米)的衬底部分上形成玻璃片状粉末薄层，在除去液体以后，形成的片状材料在120℃下干燥5-10分钟，并且浸入到并用包含按重量计为2％的树脂混合物的丁酮/三醇(triol)的溶液浸渍，该混合物为酚醛清漆型环氧树脂和双酚环氧树脂(l/1混合物)并混有按重量计为3％的BF₃，其复合功能是作为固化催化剂，在95℃持续10分钟，以使树脂成为半固化状态。借此，得到厚度为200微米的玻璃片状粉末半固化片。经观测，所形成的半固化片按重量计包含53％树脂。

两片玻璃片状粉末半固化片叠层、加压、成形并在160℃下持续1小时固化，借此得到厚度为260微米的片状材料(A)。

为了比较，由两片半固化片(厚度260微米)以与上述相同的方式制备厚度为320微米的片状材料(B)，其是通过使用按常规的膨胀处理制得的玻璃片状粉末(厚度为5微米、平均直径为400微米)得到的。

此外，由一片厚度为280微米的层压云母半固化片，按照与上述相同的方式制备厚度为200微米的片状材料(C)。

图1表示上述各个片状材料的υ-t特性的测量结果。由图1可以看出，本发明的玻璃片状粉末型片状材料(A)与常规的玻璃片状粉末型片状材料(B)相比，具有非常优异的υ-t特性，并且具有与层压的云母片状材料(C)可相比较的υ-t特性。

[实施例2]

在本实施例中，在图2的横截面示意图中的电绝缘线圈是利用以实施例1相同的方式制备的半固化带制得的。

将各个半固化带环绕各个线圈导体1分别绕预定的次数，以构成电绝缘层2，然后将各个组件放在金属模具中，通过加压和加热成形并且固化以制备各个电绝缘的线圈。图4表示因此得到各个电绝缘线圈的弯曲变形和绝缘击穿电压之间的相互关系。

关于利用层压的云母带(C)的电绝缘线圈，当弯曲变形超过0.3％时，绝缘击穿电压突然下降，另一方面，对于利用本发明的玻璃片状粉末带(A)的电绝缘线圈，据观察，即使当弯曲变形达到0.5％时，绝缘击穿电压基本上没有下降。此外，据观察利用本发明的玻璃片状粉末带(A)形成的电绝缘线圈还显示具有的特性优于片状粉末云母带(D)构成的线圈的特性。

此外，在图5中，示有利用玻璃片状粉末带(A)的电绝缘型线圈和利用层压的云母带(C)的电绝缘型线圈的弯曲特性。由图可以看出，可以理解，相对于层压的云母带(C)，玻璃片状粉末带(A)显示具有优异的变形特性。

此外，如在图3所示的两个电绝缘层的电绝缘线圈的特性，即使用层压云母+片状粉末云母的复合层(E)以及使用层压云母+本发明的玻璃片状粉末的复合层(F)均显示在图4中。

此外，在图3所示的电绝缘线圈中，层压的云母半固化带用作内电绝缘层3并且各个半固化带用作外电绝缘层4。在这个实施例中，经测定，利用本发明的玻璃片状粉末半固化带构成的电绝缘线圈显示具有优异的特性，并且一直到弯曲变形达0.5％时，使绝缘击穿电压的降低极为有限。

根据本实施例，通过形成层压云母的电绝缘层和通过形成本发明的玻璃片状粉末电绝缘层可以得到具有优异的局部放电抵抗能力和优异的机械特性的电绝缘线圈，这是由于该层压云母层在产生电场集中的线圈导体部位具有优异的局部放电抵抗能力，而本发明的玻璃片状粉末层具有优异的机械特性所致。

根据上面研究试验结果，可以理解，利用本发明的玻璃片状粉末带，可以实现与层压云母相似的局部放电抵抗能力，以及即使在弯曲变形达0.5％时，仍维持高的绝缘击穿电压。

在上述实施例中，电绝缘线圈的制备是通过使用各个半固化带，然而，并不一定要用这种半固化带。例如，可以采用干式带来制备电绝缘线圈，这种干式带没有用树脂浸渍，而是可以在将这种干式带环绕线圈导体绕制之后，利用适当的树脂浸渍。特别是，通过在真空中浸渍树脂，可以得到具有高可靠性的无空隙的电绝缘线圈。

此外，在上述实施例中，采用的是通过溶胶-凝胶处理制备的玻璃片状粉末，然而，假如片状粉末的厚度和直径可控制在本发明的范围之内，可以采用由常规方法制备的玻璃片状粉末。尽管如此，通过溶胶-凝胶处理制备的玻璃片状粉末仍然是优选的。

此外，当使用其表面利用一种中间粘接剂，例如氨基硅烷，处理的玻璃片状粉末或者将浸渍树脂混入中间粘接剂中而得到的玻璃片状粉末时，所形成的片状材料及半固化片的机械强度可以进一步提高。

〔实施例3〕

图6是一汽轮发电机的转子和定子的示意图，其中励磁绕组7配置在转子5的转子铁心10上，励磁绕组7的端部利用护环8夹紧。

此外，定子绕组9配置在位于转子5外侧的定子铁心6上。励磁绕组7由于离心力而受到应力作用。当发电机频繁地重复起动和停机时，励磁绕组7以及定子绕组9频繁地受到这种应力作用。

当将本发明的玻璃片状粉末电绝缘带应用到用于励磁绕组7和定子绕组9的电绝缘层时，得到具有优异绝缘电阻和高机械强度的电绝缘线圈，借此可以提供高可靠性的电动发电机。

图7是托克马克型核聚变装置的示意图，其中，沿着由上支承架14和下支承座15支承的、用于约束等离子体的真空室11的圆周，配置有角向磁场线圈13和环形磁场线圈12，以便相互垂直交叉，用来产生一个将等离子保持在环形真空室11中央的磁场。

通过各个线圈12和13流过大电流产生磁场，在各个线圈上作用相应的巨大应力。

当将本发明的玻璃片状粉末电绝缘带用于能够承受这种应力的角形磁场线圈13和环形磁场线圈12的电绝缘层时，得到具有优异的绝缘电阻以及高机械强度的电绝缘线圈，借此，可以提供高可靠性的核聚变装置。

根据本发明，提供的电绝缘线圈具有优异的局部放电抵抗能力并具有高的绝缘击穿强度，即使是当产生大的机械变形时，该线圈适合于用作在高电场强度下受到大的应力的严重工作条件的电机的电绝缘线圈。

Claims (6)

1．一种电绝缘片状材料，其特征在于，所述片状材料是通过在一种电绝缘材料的片状衬底部分上进行溶胶-凝胶处理制备的含有玻璃片状粉末的层进行层压而形成的。

2．根据权利要求1的电绝缘片状材料，其中所述的片状衬底部分是一种纺织的和非纺的玻璃纤维织物中的一种。

3．根据权利要求1或2的电绝缘片状材料，其中所述片状材料用半固化的热固性树脂进一步浸渍以形成半固化的片状材料。

4．根据权利要求3的电绝缘片状材料，其中所述半固化的片状材料用来环绕一个电导体，以形成一个电绝缘线圈。

5．根据权利要求3的电绝缘片状绝缘材料，其中所述半固化的片状材料用来环绕一个电导体以形成用于旋转电机的一个定子线圈和一个转子线圈中的至少一个。

6．根据权利要求3的电绝缘片状绝缘材料，其中所述半固化的片状材料用来环绕一个电导体以形成用于核聚变装置的环形线圈和角形线圈的至少其中之一。

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