CN111995986B - 一种基于固-固相变材料的电机定子绕组的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于固‑固相变材料的电机定子绕组的制备方法，包括以下步骤：相变材料的制备；(2)多孔材料的制备；(3)改性四针状氧化锌的制备；(4)固‑固相变材料的制备；(5)电机定子浇注。本发明采用多孔材料埃洛石封装固‑液相变材料石蜡制得固‑固相变材料，不仅解决了固‑液相变材料在吸热发生相变时可能出现的液相泄漏的问题，而且还具有可加工成型、过冷现象小、使用安全方便、造价低等优点。改性四针状氧化锌晶须能够形成大量的互联的网状结构，增加导热通道数量，提升导热性能。所制备的固‑固相变材料能够快速导出电机绕组产生的热量，实现快速冷却。本发明提供的方法可保留原电机进行改造，大幅度降低改造成本。
Description
技术领域
本发明属于电机材料技术领域，具体涉及一种基于固-固相变材料的电机定子绕组的制备方法。
背景技术
电机在正常运行时，温度升高是无法避免的。电机发热会导致电机绕组的绝缘温度上升，而绝缘长期处于高温下，会加速绝缘老化，减少电机的使用寿命。如果温度过高，会使得绝缘碳化，失去绝缘作用，电机的绕组会短路而故障。
目前电机的冷却方法主要是自然冷却、强迫风冷、表面冷却、循环冷却、直接气体冷却等，即通过外部添加低温介质带走电机内部产生的热量，采用热传导的方式将电机的热量传递到介质中，通过介质再传递到空气中。但在长时间工作或过载的情况下，电机绕组会产生大量的热量，传统方式很难迅速的排出这些热量，从而导致电机的运行受到限制。
为了提高电机绕组内部热量的排出，传统冷却方法主要着眼于提高电机的散热效果，例如使用新型材料或设计新的电机结构来提高电机机壳的散热效果，以此来加速由电机绕组产生的热量的排出。
但是上述传统冷却方法有较大的局限性：散热的效果有限；散热的速率上较慢；散热不易控制，无法实现对电机绕组的快速冷却。因此，为了提高电机的工作效率，改善电机运行的温度空间，有效且快速地降低电机绕组的冗余热量，使电机绕组运行在一个合理的温度范围之内，亟需提出一种全新的针对电机绕组的快速冷却方法。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题和不足，本发明提供一种利用固-固相变材料对电机绕组进行快速冷却的方法。该方法将固-固相变材料均匀地填充于定子绕组缝隙内，利用固-固相变材料特定的相变特性和温度曲线，来降低电机绕组的温度。即基于相变材料在相变过程中的储能特性和特定的温度曲线，将电机绕组产生的热量转换到相变材料中，以降低电机绕组的温度，延长电机使用时长。
本发明使用的固-固相变材料内含有一定比例的相变材料、多孔材料和其他辅助材料。相变材料选用相变温度为50℃～70℃石蜡，多孔材料选用埃洛石。为了增强电机绕组的绝缘性，固-固相变材料制备中混入一定比例的绝缘漆；为了增强相变材料的热导率，在材料中混入一定比例的四针状氧化锌晶须。固-固相变材料冷却电机的部分包括电机定子铁心、电机定子铁心上的绕组，并在定子绕组的缝隙中均匀填充相变材料。
本发明提供的技术方案如下：
一种基于固-固相变材料的电机定子绕组的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)相变材料的制备
将石蜡研磨成粉末，加入到无水乙醇中，加热搅拌得到石蜡-乙醇溶液；优选的，加热采用水浴加热，加热温度为70-80℃，搅拌转速为300～400转/分钟，搅拌时间为30～45分钟；
(2)多孔材料的制备
将洗涤后的埃洛石高温除水、除杂，然后加入到无水乙醇中，搅拌混合均匀得到埃洛石分散液；优选的，搅拌转速设定为300～400转/分钟，搅拌时间为1～1.5小时；
(3)改性四针状氧化锌的制备
(3.1)将四针状氧化锌在无水乙醇中分散得到分散液；
(3.2)将硅烷偶联剂、去离子水、无水乙醇混合配制成偶联剂的乙醇溶液，用酸调pH至3-4，室温下水解，得到水解液；
(3.3)将水解液加入到分散液中，加热搅拌反应，得到混合液；
(3.4)将混合液经抽滤、洗涤、干燥即得改性四针状氧化锌晶须；优选的，洗涤使用无水乙醇和去离子水分别洗涤多次；干燥温度为60～70℃，干燥24小时；
(4)固-固相变材料的制备
将石蜡-乙醇溶液与埃洛石分散液混合，加热搅拌使得溶剂挥发完全，取出石蜡和埃洛石混合物于干燥箱中干燥，然后研磨成粉末；将粉末、改性四针状氧化锌晶须加入绝缘漆中加热搅拌混匀得到固-固相变材料；
(5)电机定子浇注
将固-固相变材料加热浇注到干燥的电机定子上，确保绕组导线之间的缝隙、绕组与定子铁心、绝缘材料之间的各个气隙，以及绕组端部缝隙中都流入固-固相变材料，浇注完成后，于真空下冷却至室温，即得。优选的，浇注温度为90℃；浇注次数为3-5次。
进一步，所述步骤(1)中石蜡与无水乙醇的质量比为1:2-4。
进一步，所述步骤(2)中高温除水、除杂的温度为300-500℃。优选的，采用马弗炉干燥，干燥时间为3-4小时。
进一步，所述步骤(3.1)中四针状氧化锌经过干燥处理，处理步骤如下：将洗涤后的埃洛石放置到马弗炉恒温300-500℃干燥3-4小时。优选的，四针状氧化锌置于真空干燥箱中干燥，干燥温度为100℃，连续干燥8-10小时。
进一步，所述步骤(3.2)中硅烷偶联剂为KH570。
进一步，所述步骤(3.2)中硅烷偶联剂、去离子水、无水乙醇的质量比为1:2-4:6-8。
进一步，所述步骤(3.3)中加热温度为60-80℃，搅拌转速为500-800转/分钟，反应时间为3-5小时。
进一步，所述步骤(4)中加热温度为75-80℃，转速为300-400转/分钟，搅拌时间为1.5-2小时。
进一步，所述步骤(4)中埃洛石与石蜡混合物干燥温度为80-90℃，连续干燥12-14小时；所述粉末、改性四针状氧化锌晶须和绝缘漆在在恒温水浴中混匀，水浴温度为75-80℃，转速为300～400转/分钟，搅拌时间为45～60分钟。
本发明的另一目的在于提供利用上述制备的基于固-固相变材料的电机定子绕组。
本发明的有益效果：
(1)本发明采用多孔材料埃洛石封装固-液相变材料石蜡制得固-固相变材料，不仅解决了固-液相变材料在吸热发生相变时可能出现的液相泄漏的问题，而且还具有可加工成型、过冷现象小、使用安全方便、造价低等优点。
(2)四针状氧化锌晶须外观呈白色疏松状粉体，微观为三维四针状立体结构，即晶须有一核心，从核心径向方向伸展出四根针状晶体，每根针状体均为单晶体微纤维，任两根针状体的夹角为109°。独特的四针状结构使得氧化锌晶须极易在电机机体内和相变材料内互相搭接形成导热通路，因此具有良好的导热性。利用硅烷偶联剂改性后，能够增强晶须间的分散性，使材料内部的原子或分子能够更好地互联形成网状结构，进一步增加导热通道，提升导热性能。
(3)将制备好的固-固相变材料填充到电机绕组的孔隙中，快速导出电机绕组产生的热量，从而达到对电机定子绕组快速冷却的效果，且在电机自然降温时，相变材料能散发一定的热量，让降温曲线更温和，防止降温过快对电机内部器件造成损坏。
(4)本发明提供的方法不改变和影响电机的任何结构和性能，不改变原有电机的冷却系统，可保留原电机进行改造，大幅度降低改造成本。
附图说明
图1是填充复合相变材料后的电机定子与未填充复合相变材料的电机定子升温对比曲线图；
图2是改性四针状氧化锌晶须电镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的内容进一步说明，本发明的内容完全不限于此。
一种基于固-固相变材料的电机定子绕组的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)相变材料的制备
将石蜡研磨成粉末，加入到无水乙醇中，加热搅拌得到石蜡-乙醇溶液；优选的，加热采用水浴加热，加热温度为75℃，搅拌转速为300～400转/分钟，搅拌时间为30～45分钟；
(2)多孔材料的制备
将洗涤后的埃洛石高温除水、除杂，然后加入到无水乙醇中，搅拌混合均匀得到埃洛石分散液；优选的，搅拌转速设定为300～400转/分钟，搅拌时间为1～1.5小时；
(3)改性四针状氧化锌的制备
(3.1)将四针状氧化锌在无水乙醇中分散得到分散液；
(3.2)将硅烷偶联剂、去离子水、无水乙醇混合配制成偶联剂的乙醇溶液，用酸调pH至3-4，室温下水解，得到水解液；
(3.3)将水解液加入到分散液中，加热搅拌反应，得到混合液；
(3.4)将混合液经抽滤、洗涤、干燥即得改性四针状氧化锌晶须；优选的，洗涤使用无水乙醇和去离子水分别洗涤多次；干燥温度为60～70℃，干燥24小时；
(4)固-固相变材料的制备
将石蜡-乙醇溶液与埃洛石分散液混合，加热搅拌使得溶剂挥发完全，取出石蜡和埃洛石混合物于干燥箱中干燥，然后研磨成粉末；将粉末、改性四针状氧化锌晶须加入绝缘漆中加热搅拌混匀得到固-固相变材料；
(5)电机定子浇注
将固-固相变材料加热浇注到干燥的电机定子上，确保绕组导线之间的缝隙、绕组与定子铁心、绝缘材料之间的各个气隙，以及绕组端部缝隙中都流入固-固相变材料，浇注完成后，于真空下冷却至室温，即得。优选的，浇注温度为90℃；浇注次数为3-5次。
进一步，所述步骤(1)中石蜡与无水乙醇的质量比为1:3。
进一步，所述步骤(2)中高温除水、除杂的温度为400℃。优选的，采用马弗炉干燥，干燥时间为3-4小时。
进一步，所述步骤(3.1)中四针状氧化锌经过干燥处理，处理步骤如下：将洗涤后的埃洛石放置到马弗炉恒温400℃干燥3-4小时。优选的，四针状氧化锌置于真空干燥箱中干燥，干燥温度为100℃，连续干燥8-10小时。
进一步，所述步骤(3.2)中硅烷偶联剂为KH570。
进一步，所述步骤(3.2)中硅烷偶联剂、去离子水、无水乙醇的质量比为1:2:8。
进一步，所述步骤(3.3)中加热温度为60-80℃，搅拌转速为500-800转/分钟，反应时间为3-5小时。
进一步，所述步骤(4)中加热温度为75-80℃，转速为300-400转/分钟，搅拌时间为1.5-2小时；
进一步，所述步骤(4)中埃洛石与石蜡混合物干燥温度为80-90℃，连续干燥12-14小时；所述粉末、改性四针状氧化锌晶须和绝缘漆在在恒温水浴中混匀，水浴温度为80℃，转速为300～400转/分钟，搅拌时间为45～60分钟。
下述实施中，绝缘漆为三聚氰胺醇酸绝缘浸渍漆。
实施例1
(1)相变材料的处理：
取1.5g石蜡研磨成粉末状，取4.5g无水乙醇，将石蜡和无水乙醇混合并置于水浴加热锅中，水浴加热锅温度设定为75℃，转速设定为300转/分钟，恒温搅拌30分钟。
(2)多孔材料的处理：
将埃洛石放置到抽滤装置中进行抽滤处理，去离子水进行洗涤，洗涤重复两次，将洗涤后的埃洛石放置到马弗炉恒温400℃干燥3小时，取2g处理好的埃洛石，取6g无水乙醇，将石蜡和无水乙醇混合并置于水浴加热锅中，水浴加热锅温度设定为75℃，转速设定为300转/分钟，恒温搅拌30分钟。
(3)四针状氧化锌的处理：
首先将四针状氧化锌放置于100℃的真空干燥箱中，连续干燥9小时；然后将去离子水、硅烷偶联剂KH570、无水乙醇按1:2:8的质量比配成偶联剂的乙醇溶液；用盐酸将偶联剂的乙醇溶液调pH值至3，并在室温下水解1.5小时，得到水解液；同时将干燥后的四针状氧化锌晶须和无水乙醇按1:1的质量比分散在烧杯中1小时，制成分散液；将水解液倒入到分散液中，并在75℃温度下、500转/分钟的条件下恒温水浴搅拌3小时，得到搅拌液；将搅拌液放置到抽滤装置中进行抽滤处理，然后再分别取100g无水乙醇和去离子水进行洗涤，洗涤重复两次；最后，将洗涤过的溶液放置在真空干燥箱中恒温70℃，干燥24小时。
(4)固-固相变材料制备及浇注
将石蜡分散液与埃洛石分散液混合并放置水浴加热锅进行恒温搅拌，水浴加热锅温度设定为75℃，转速为300转/分钟，搅拌时间为1.5小时，放置在真空干燥箱中恒温90℃，连续干燥12小时，取出自然冷却至室温后研磨成粉末。将埃洛石与石蜡混合粉末及0.8g处理过的四针状氧化锌加入绝缘漆中放置于水浴加热锅中进行恒温搅拌，水浴加热锅温度设定为80℃，转速为400转/分钟，搅拌时间为60分钟。制备完成后对定子进行浇注。得到石蜡质量分数为23％的复合固-固相变材料。
(5)电机定子的浇注：
将电机定子放入鼓风干燥箱中加热，温度设定100℃，加热时间30分钟，将加入2.5g绝缘漆的复合固-固相变材料浇注到电机定子上，温度维持在90℃，浇注完成后，保持真空状态3小时，自然冷却到室温。重复浇注工作3到5次。得到石蜡质量分数为20％的复合固-固相变材料。
实施例2
(1)相变材料的处理：
取2g石蜡研磨成粉末状，取6g无水乙醇，将石蜡和无水乙醇混合并置于水浴加热锅中，水浴加热锅温度设定为75℃，转速设定为400转/分钟，恒温搅拌40分钟以保证石蜡完全分散在无水乙醇中。
(2)多孔材料的处理：
将埃洛石放置到抽滤装置中进行抽滤处理，去离子水进行洗涤，洗涤重复两次，将洗涤后的埃洛石放置到马弗炉恒温400℃干燥3小时，取2g处理好的埃洛石，取6g无水乙醇，将石蜡和无水乙醇混合并置于水浴加热锅中，水浴加热锅温度设定为75℃，转速设定为300转/分钟，恒温搅拌30分钟以保证埃洛石完全分散在无水乙醇中。
(3)四针状氧化锌的处理：
首先将四针状氧化锌放置于100℃的真空干燥箱中，连续干燥10小时；然后将去离子水、硅烷偶联剂KH570、无水乙醇按1:2:8的质量比配成偶联剂的乙醇溶液；用盐酸将偶联剂的乙醇溶液调pH值至3，并在室温下水解1小时，得到水解液；同时将干燥后的四针状氧化锌晶须和无水乙醇按1:1的质量比分散在烧杯中1小时，制成分散液；将水解液倒入到分散液中，并在80℃温度下、500转/分钟的条件下恒温水浴搅拌3小时，得到搅拌液；将搅拌液放置到抽滤装置中进行抽滤处理，然后再分别取100g无水乙醇和去离子水进行洗涤，洗涤重复两次；最后，将洗涤过的溶液放置在真空干燥箱中恒温70℃，干燥24小时。
(4)固-固相变材料的制备：
将石蜡分散液与埃洛石分散液混合并放置水浴加热锅进行恒温搅拌，水浴加热锅温度设定为75℃，转速为300转/分钟，搅拌时间为1.5小时，放置在真空干燥箱中恒温90℃，连续干燥12小时，取出自然冷却至室温后研磨成粉末。将埃洛石与石蜡混合粉末及1g处理过的四针状氧化锌加入绝缘漆中放置于水浴加热锅中进行恒温搅拌，水浴加热锅温度设定为80℃，转速为400转/分钟，搅拌时间为60分钟，以保证埃洛石与石蜡混合粉末能均匀的分散在绝缘漆中。
(5)电机定子的浇注：
将电机定子放入鼓风干燥箱中加热，温度设定100℃，加热时间30分钟，将加入2.5g绝缘漆的复合固-固相变材料浇注到电机定子上，温度维持在90℃，浇注完成后，保持真空状态3小时，自然冷却到室温。重复浇注工作3到5次。得到石蜡质量分数为25％的复合固-固相变材料。
实施例3
(1)相变材料的处理：
取2.4g石蜡研磨成粉末状，取7.2g无水乙醇，将石蜡和无水乙醇混合并置于水浴加热锅中，水浴加热锅温度设定为75℃，转速设定为400转/分钟，恒温搅拌45分钟。
(2)多孔材料的处理：
将埃洛石放置到抽滤装置中进行抽滤处理，去离子水进行洗涤，洗涤重复两次，将洗涤后的埃洛石放置到马弗炉恒温400℃干燥3小时，取2g处理好的埃洛石，取6g无水乙醇，将石蜡和无水乙醇混合并置于水浴加热锅中，水浴加热锅温度设定为75℃，转速设定为300转/分钟，恒温搅拌30分钟。
(3)四针状氧化锌的处理：
首先将四针状氧化锌放置于100℃的真空干燥箱中，连续干燥10小时；然后将去离子水、硅烷偶联剂KH570、无水乙醇按1:2:8的质量比配成偶联剂的乙醇溶液；用盐酸将偶联剂的乙醇溶液调pH值至4，并在室温下水解2小时，得到水解液；同时将干燥后的四针状氧化锌晶须和无水乙醇按1:1的质量比分散在烧杯中1小时，制成分散液；将水解液倒入到分散液中，并在80℃温度下、500转/分钟的条件下恒温水浴搅拌2小时，得到搅拌液；将搅拌液放置到抽滤装置中进行抽滤处理，然后再分别取100g无水乙醇和去离子水进行洗涤，洗涤重复两次；最后，将洗涤过的溶液放置在真空干燥箱中恒温70℃，干燥24小时。
(4)固-固相变材料制备及浇注
将石蜡分散液与埃洛石分散液混合并放置水浴加热锅进行恒温搅拌，水浴加热锅温度设定为75℃，转速为300转/分钟，搅拌时间为1.5小时，放置在真空干燥箱中恒温90℃，连续干燥12小时，取出自然冷却至室温后研磨成粉末。将埃洛石与石蜡混合粉末及1.2g处理过的四针状氧化锌加入绝缘漆中放置于水浴加热锅中进行恒温搅拌，水浴加热锅温度设定为80℃，转速为400转/分钟，搅拌时间为60分钟。制备完成后对定子进行浇注。得到石蜡质量分数为29％的复合固-固相变材料。
(5)电机定子的浇注：
将电机定子放入鼓风干燥箱中加热，温度设定100℃，加热时间30分钟，将加入2.5g绝缘漆的复合固-固相变材料浇注到电机定子上，温度维持在90℃，浇注完成后，保持真空状态3小时，自然冷却到室温。重复浇注工作3到5次。得到石蜡质量分数为30％的复合固-固相变材料。
对比实施例1
仅使用绝缘漆进行浇注
将电机定子放入鼓风干燥箱中加热，温度设定100℃，加热时间30分钟，将加入2.5g绝缘漆浇注到电机定子上，温度维持在90℃，浇注完成后，保持真空状态3小时，自然冷却到室温。重复浇注工作3到5次。
各实施例导热性能测试如表1所示：
表1
表1是浇注后电机定子升温到100℃所需时间，石蜡的质量分数分别为20％wt、25％wt、30％wt和0。由表1可以看出，添加复合相变材料后电机升温到100℃的时间均有延长，添加25％wt复合相变材料的电机定子升温时间延长到未添加复合相变材料电机定子约1.5倍的时间。
图1为升温曲线对比图，从图中可以看出：随着时间的延长，两组电机的温度均在上升，但是无复合相变材料填充的电机升温更快，电机的温度也更高，而填充有复合相变材料的电机升温更慢，电机的温度要低于无复合相变材料电机10℃左右。由此可见，复合相变材料能有效降低电机定子绕组的温度，延长电机的运行时间。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于固-固相变材料的电机定子绕组的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)相变材料的制备
将石蜡研磨成粉末，加入到无水乙醇中，加热搅拌得到石蜡-乙醇溶液；
(2)多孔材料的制备
将洗涤后的埃洛石高温除水、除杂，然后加入到无水乙醇中，搅拌混合均匀得到埃洛石分散液；
(3)改性四针状氧化锌的制备
(3.1)将四针状氧化锌在无水乙醇中分散得到分散液；
(3.2)将硅烷偶联剂、去离子水、无水乙醇混合配制成偶联剂的乙醇溶液，用酸调pH至3-4，室温下水解，得到水解液；
(3.3)将水解液加入到分散液中，加热搅拌反应，得到混合液；
(3.4)将混合液经抽滤、洗涤、干燥即得改性四针状氧化锌晶须；
(4)固-固相变材料的制备
将石蜡-乙醇溶液与埃洛石分散液混合，加热搅拌使得溶剂挥发完全，取出石蜡和埃洛石混合物于干燥箱中干燥，然后研磨成粉末；将粉末、改性四针状氧化锌晶须加入绝缘漆中加热搅拌混匀得到固-固相变材料；
(5)电机定子浇注
将固-固相变材料加热浇注到干燥的电机定子上，确保绕组导线之间的缝隙、绕组与定子铁心、绝缘材料之间的各个气隙，以及绕组端部缝隙中都流入固-固相变材料，浇注完成后，于真空下冷却至室温，即得；
所述步骤(4)中加热温度为75-80℃，转速为300-400转/分钟，搅拌时间为1.5-2小时；
所述步骤(4)中埃洛石与石蜡混合物干燥温度为80-90℃，连续干燥12-14小时；所述粉末、改性四针状氧化锌晶须和绝缘漆在恒温水浴中混匀，水浴温度为75-80℃，转速为300～400转/分钟，搅拌时间为45～60分钟；
所述固-固相变材料中石蜡的质量分数为20％。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中石蜡与无水乙醇的质量比为1:2-4。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中高温除水、除杂的温度为300-500℃。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(3.1)中四针状氧化锌经过干燥处理，处理步骤如下：将洗涤后的埃洛石放置到马弗炉恒温300-500℃，干燥3-4小时。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(3.2)中硅烷偶联剂为KH570。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(3.2)中硅烷偶联剂、去离子水、无水乙醇的质量比为1:2-4:6-8。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(3.3)中加热温度为60-80℃，搅拌转速为500-800转/分钟，反应时间为3-5小时。
8.一种基于固-固相变材料的电机定子绕组，其特征在于：采用权利要求1-7任一项的方法制备。
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