CN112424879B - 具有耐电晕的聚酰亚胺绝缘体的磁线 - Google Patents

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Abstract

描述了具有耐电晕的漆包绝缘体的磁线。磁线可以包括导体，并且至少一层聚合漆包绝缘体可以形成在导体周围。聚合漆包绝缘体可包括分散在聚酰亚胺中的填料。填料可包括以重量计为20％至80％之间的二氧化硅和以重量计为20％至80％之间的氧化钛。

Description

具有耐电晕的聚酰亚胺绝缘体的磁线
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年5月7日提交的题为“Corona Resistant Polyimide MagnetWire Insulation”的美国临时申请第62/667,649号的优先权，其内容以其整体通过引用并入本文。
技术领域
本公开的实施例总体上涉及磁线，并且更具体地，涉及包括由耐电晕聚酰亚胺形成的绝缘体的磁线，其被设计用于改善电动机绕组的寿命。
背景
磁线(也称为绕组线或磁绕组线)用于各种电机(electric machine)和设备，诸如逆变器驱动电动机、电动机起动发电机、变压器等。磁线通常包括围绕中心导体形成的聚合漆包绝缘体。漆包绝缘体通过以下来形成：在磁线上施加清漆且然后在炉中固化清漆以除去溶剂，从而形成薄的漆包层。重复此过程，直到达到所需的漆包构造或厚度。用于形成漆包层的聚合材料旨在在某些最高工作温度下使用。另外，电气设备可经受可破坏或降低线绝缘性的相对较高电压条件。例如，逆变器可以产生输入到某些类型的电动机中的可变频率，并且该可变频率可呈现出陡峭的波形，其可导致过早的电动机绕组故障。
已尝试减少由于线绝缘性下降而引起的过早故障。这些尝试已包括在操作和制造电机和设备期间最大程度地减少对线和绝缘体的损坏，以及在适当的地方使用较短引线。此外，电抗器线圈或在逆变器驱动器与电动机之间的滤波器可以通过减少由逆变器驱动器/电动机组合产生的电压尖峰和高频来延长绕组的寿命。然而，这类线圈昂贵并且增加系统总成本。增加绝缘体的量可以改善电气设备中绕组的寿命，但是此选项既昂贵又降低设备中铜的空间量，从而导致电动机效率降低。另外，一旦达到一定数量的漆包层，就可发生层间剥离。因此，有机会改善具有绝缘体的磁线，该绝缘体被设计成较长时间承受电气设备内存在的较高温度和/或电压。
发明内容
在下文的一个或更多个实施例中可实现本发明的各方面。
1)一种磁线，包括：
导体；以及
至少一层聚合漆包绝缘体，所述聚合漆包绝缘体形成在所述导体周围，所述聚合漆包绝缘体包括分散在聚酰亚胺中的填料，
其中，所述填料包括以重量计为20％至80％之间的二氧化硅和以重量计20％至80％之间的氧化钛。
2)根据1)所述的磁线，其中，所述填料包括以重量计为60％至80％之间的氧化钛。
3)根据1)所述的磁线，其中，所述填料以重量计构成所述聚合漆包绝缘体的10％至25％。
4)根据1)所述的磁线，其中，所述填料以重量计构成所述聚合漆包绝缘体的15％至20％。
5)根据1)所述的磁线，其中，所述聚合漆包绝缘体还包括粘合促进剂。
6)根据5)所述的磁线，其中，所述粘合促进剂包括Cymel。
7)根据1)所述的磁线，其中，所述至少一层聚合漆包绝缘体包括多层聚合漆包绝缘体。
8)根据1)所述的磁线，还包括在所述至少一层聚合漆包绝缘体周围形成的面层绝缘层。
9)根据8)所述的磁线，其中，所述面层绝缘层包括未填充层。
10)根据8)所述的磁线，其中，所述面层绝缘层包括聚酰胺酰亚胺。
11)根据8)所述的磁线，其中，所述面层绝缘层构成组合的聚合漆包绝缘体和所述面层绝缘层的总厚度的5％至15％。
12)一种磁线，包括：
导体；以及
填充的聚合漆包绝缘体，所述填充的聚合漆包绝缘体形成在所述导体周围，所述填充的聚合漆包绝缘体包括以重量计为10％至25％之间的填料，
其中，所述填料包括以重量计为20％至80％之间的二氧化硅和以重量计为20％至80％之间的氧化钛。
13)根据12)所述的磁线，其中，所述填料包括以重量计为60％至80％之间的氧化钛。
14)根据12)所述的磁线，其中，所述填料以重量计构成所述填充的聚合漆包绝缘体的15％至20％。
15)根据12)所述的磁线，其中，所述填充的聚合漆包绝缘体还包括粘合促进剂。
16)根据15)所述的磁线，其中，所述粘合促进剂包括Cymel。
17)根据12)所述的磁线，其中，所述填充的聚合漆包绝缘体包括多层聚合漆包绝缘体。
18)根据12)所述的磁线，还包括在所述填充的聚合漆包绝缘体周围形成的面层绝缘层。
19)根据18)所述的磁线，其中，所述面层绝缘层包括未填充层。
20)根据18)所述的磁线，其中，所述面层绝缘层包括聚酰胺酰亚胺。
21)根据18)所述的磁线，其中，所述面层绝缘层构成组合的填充的聚合漆包绝缘体和所述面层绝缘层的总厚度的5％至15％。
22)一种形成磁线的方法，所述方法包括：
提供导体；以及
在所述导体周围形成聚合漆包绝缘体，所述聚合漆包绝缘体包括以重量计为10％至25％之间的填料，
其中，所述填料包括以重量计为20％至80％之间的二氧化硅和以重量计为20％至80％之间的氧化钛。
23)根据22)所述的方法，其中，形成聚合漆包绝缘体包括形成具有包括以重量计为60％至80％之间的氧化钛的填料的聚合漆包绝缘体。
24)根据22)所述的方法，其中，形成聚合漆包绝缘体包括形成包括以重量计为15％至20％之间的所述填料的聚合漆包绝缘体。
25)根据22)所述的方法，其中，形成聚合漆包绝缘体包括形成包括粘合促进剂的聚合漆包绝缘体。
26)根据25)所述的方法，其中，形成聚合漆包绝缘体包括形成包括Cymel粘合促进剂的聚合漆包绝缘体。
27)根据22)所述的方法，其中，形成聚合漆包绝缘体包括形成多层聚合漆包绝缘体。
28)根据22)所述的方法，还包括：
形成在所述聚合漆包绝缘体周围形成的面层绝缘层。
29)根据28)所述的方法，其中，形成面层绝缘层包括形成未填充的面层绝缘层。
30)根据28)所述的方法，其中，形成面层绝缘层包括形成聚酰胺酰亚胺面层绝缘层。
31)根据28)所述的方法，其中，形成面层绝缘层包括形成面层绝缘层，所述面层绝缘层构成组合的聚合漆包绝缘体和所述面层绝缘层的总厚度的5％至15％。
附图简述
参考附图阐述详细描述。在附图中，附图标记的最左边数字标识该附图标记首次出现的附图。在不同的附图中使用相同的附图标记表示相似或相同的物品；然而，各种实施例可以利用与图中所示的元件和/或组件不同的元件和/或组件。另外，提供附图以图示本文描述的示例实施例，并且不旨在限制本公开的范围。
图1A-图2B示出根据本公开的各种实施例可以形成的示例磁线构造的横截面图。
详细描述
本公开的某些实施例涉及包括聚酰亚胺(“PI”)绝缘体的磁线，其相对于具有聚酰亚胺绝缘体的常规磁线具有改善的耐电晕性和/或热寿命提高。本公开的其他实施例涉及制造磁线的方法，该磁线包括具有改善的耐电晕性和/或热寿命提高的PI绝缘体。根据本公开的一个方面，可以将填料材料添加到PI聚合物或树脂中。另外，填料材料可以包括至少氧化钛(TiO2)和二氧化硅(SiO2)的共混物。共混物还可以根据需要包含其他合适的材料，诸如氧化铬(CrO2)。添加填料可以改善在磁线上由填充的PI形成的漆包层的耐电晕性和/或热寿命。因此，在局部放电和/或其他不利条件下，可以增加或延长磁线和/或结合磁线的电气设备(例如，电动机等)的寿命。添加填料还可以改善磁线的热导率。具体来说，填料可以有利于增强从导体的散热。
填料材料可以以任何合适的比率添加到PI中。例如，在某些实施例中，以重量计，在填充的PI漆包绝缘层中的填料的总量可以为约百分之十(10％)至约百分之二十五(25％)。在其他实施例中，以重量计，填料的总量可以为约百分之十五(15％)至约百分之二十(20％)。在各种其他实施例中，以重量计，填料的总量可以在约5％、7.5％、10％、12.5％、15％、17.5％、20％、25％、30％、35％、40％、45％或50％，包括在以上值中的任两个之间的范围内的量，或包括在由以上值中的一个在最小或最大端界定的范围内的量。
此外，对于掺入填料中的各种组分，可以采用各种共混或混合比率。例如，氧化钛和二氧化硅可以以各种合适的重量比率共混。在各种实施例中，填料可包括以重量计约百分之二十(20％)至约百分之八十(80％)的二氧化硅和以重量计约百分之二十(20％)至约八十(80％)的氧化钛。例如，填料可包括按重量计20％-40％之间的二氧化硅和按重量计60％-80％之间的氧化钛。可以根据需要利用各种其他合适的共混比率。
现在将在下文中参考附图更充分地描述本公开的实施例，在附图中示出本公开的某些实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，并且不应该被解释为限于在本文阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开透彻和完整，并将本发明的范围充分传达给本领域技术人员。贯穿全文，相同的数字表示相同的元件。
现在参考附图，图1A示出可以包括涂覆有漆包绝缘体的导体110的示例圆形磁线100的横截面端视图。可以根据需要使用任何合适数量的漆包层。如所示，可以在导体110周围形成多层漆包绝缘体的层，诸如底涂层120和面层130。在其他实施例中，可以利用单层漆包绝缘体。在其他实施例中，可以利用多于两层的漆包绝缘体。此外，漆包层中的一个或更多个可以包括合适的无机填料，并且填料可以包括二氧化硅和氧化钛的组合。
类似地，图1B示出示例矩形磁线150的横截面端视图，该矩形磁线150可以包括涂覆有漆包绝缘体的导体160。可以根据需要利用任何合适数量的漆包层。如图所示，可在导体160周围形成多层漆包绝缘体，诸如底涂层170和面层180。在其他实施例中，可利用单层漆包绝缘体。在其他实施例中，可以利用多于两层的漆包绝缘体。此外，漆包层中的一个或更多个可以包括合适的无机填料并且填料可以包括二氧化硅和氧化钛的组合。图1A的圆形线100将在下文更详细地描述；然而，应当理解，图1B的矩形线150的各种组件可以类似于针对图1A的圆形线100所描述的那些。
导体110可以由各种合适的材料或材料的组合形成。例如，导体110可以由铜、铝、退火铜、无氧铜、镀银铜、镀镍铜、覆铜铝(“CCA”)、银、金、导电合金、双金属或任何其他合适的导电材料形成。另外，导体110可以形成为具有任何合适的横截面形状，诸如图示的圆弧形或圆形横截面形状。在其他实施例中，导体110可以具有(如图1B所示的)矩形、正方形、椭圆形、卵形或任何其他合适的横截面形状。如对于某些横截面形状(诸如矩形)根据需要，导体可以具有圆的、尖的、平滑的、弯曲的、成角度的、截断的或以其他方式形成的拐角。导体110也可以形成为具有任何合适的尺寸，诸如任何合适的规格、直径、高度、宽度、横截面积等。
可以在导体110周围形成任何数量的漆包层，诸如图示的底涂层120和面层130。通常通过将聚合清漆涂到导体110上，且然后在合适的漆包烘炉(enameling oven)或熔炉中烘烤导体110来形成漆包层。聚合清漆通常包含悬浮在一种或更多种溶剂中的热固性聚合材料或树脂。热固性(thermosetting)或热固性(thermoset)聚合物是可以从软固体或粘稠液体(例如粉末等)不可逆地固化成不溶或交联树脂的材料。热固性聚合物通常不能通过挤出而熔融以用于施加，因为熔融过程会分解或降解聚合物。因此，将热固性聚合物悬浮在溶剂中以形成清漆，其可以经施加并固化以形成漆包膜层。在施加清漆之后，由于烘烤或其他合适固化而去除溶剂，从而留下固态聚合漆包层。根据需要，可以将多层磁漆(enamel)施加到导体110上，以便实现期望的磁漆厚度或构造(例如，通过减去导体以及任何下层的厚度而获得的磁漆的厚度)。每个漆包层可以利用类似的工艺来形成。换句话说，例如可以通过施加合适清漆并使导体穿过漆包烘炉来形成第一漆包层。随后可以通过施加合适的清漆并使导体穿过相同的漆包烘炉或不同的漆包烘炉来形成第二漆包层。实际上，漆包烘炉可以被构造为有利于线多次穿过炉。如在各种实施例中根据需要，除一个或更多个漆包烘炉之外或作为其的替代方案，可以利用其他固化设备。例如，可以利用一种或更多种合适的红外光、紫外光、电子束和/或其他固化系统。
根据需要，磁漆的每一层(诸如底涂层120和面层130)可以形成有任何适当数量的子层。例如，底涂层120可以包括单个漆包层，或者替代地直到实现期望的构造或厚度为止而形成的多个漆包层或子层。类似地，面层130可以包括一个或多个子层。每个漆包层和/或总磁漆构造可具有任何期望的厚度，诸如约0.0002、0.0005、0.0007、0.001、0.002、0.003、0.004、0.005、0.006、0.007、0.008、0.009、0.010、0.012、0.015、0.017或0.020英寸，包括在上述值中的任两个之间的范围内的厚度和/或包括在由上述值中的一个在最小或最大端界定的范围内的厚度。
根据需要，各种不同类型的聚合材料可以用于形成漆包层。合适的热固性材料的示例包括但不限于聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、酰胺酰亚胺、聚酯、聚酯酰亚胺、聚砜、聚苯砜、聚硫化物、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚酰胺、聚酮等。根据本公开的一方面，至少一个漆包层可以包括聚酰亚胺(“PI”)。在某些实施例中，可以形成多个聚酰亚胺层。例如，底涂层120和面层130都可以形成为PI层。在其他实施例中，一个或更多个PI层可以与由其他类型的材料形成的漆包层结合。例如，底涂层120可以由PI形成，而面层130包括另一种聚合材料或聚合材料的共混物。另外，根据本公开的一个方面，并且如下面更详细地解释的，一个或更多个PI层可以包括合适的填料。
在某些实施例中，底涂层120可包括一层或更多层填充的PI，并且可在底涂层120上形成包括聚酰胺酰亚胺(“PAI”)的面层130。根据需要，可以利用在PI底涂层120和PAI面层130之间任何合适的构造或厚度比率。在某些实施例中，PI底涂层120和PAI面层130之间的厚度或构造比率可以在约95/5至约85/15之间。换句话说，PAI面层130的厚度或构造可以构成组合的漆包绝缘体的总厚度或构造的约5.0％至约15.0％。在其他实施例中，面层130可构成组合的漆包绝缘体的总厚度或构造的约2％、3％、5％、7％、10％、12％、15％、20％或25％。
图2A示出示例三涂层圆形磁线200的横截面端视图。图2A中示出的实施例包括导体210，导体210由聚合底涂层220、设置在底涂层220上的第一聚合层230和设置在第一聚合层230上的第二聚合层240围绕。类似地，图2B示出示例三涂层矩形磁线250的横截面端视图。线250包括导体260，导体260由聚合底涂层270、设置在底涂层270上的第一聚合层280和设置在第一聚合层280上的第二聚合层290围绕。图2A的圆形线200将在下文更详细地描述；然而，应当理解，图2B的矩形线250的各种组件可以类似于针对图2A的圆形线200所述的那些。
关于图2A的线200，导体210可以类似于以上参考图1A描述的导体110。另外，可以利用各种合适聚合物来形成各个漆包层220、230、240。合适的热固性材料的示例包括但不限于聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、酰胺酰亚胺、聚酯、聚酯酰亚胺、聚砜、聚苯砜、聚硫化物、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚酰胺、聚酮等。根据本公开的一个方面，至少一个漆包层可以包括聚酰亚胺(“PI”)。另外，底涂层220、第一聚合层230和第二聚合层240中的每个可以包括任何期望数量的子层。在某些实施例中，可以形成多个PI层。例如，所有三个层220、230、240可以由PI形成。
在其他实施例中，一个或更多个PI层可以与由其他类型材料形成的漆包层结合。例如，底涂层220可以由PAI或促进增强导体210与导体周围形成的绝缘体之间的粘合的另一种聚合材料形成。然后，第一聚合层230可以由任何合适数量的填充PI层形成。然后，第二聚合层240可以形成为在填充PI层上的面层。例如，第二聚合层240可以形成为类似于以上参考图1A讨论的面层130的PAI面层。
作为另一个示例，底涂层220和第一聚合层230可以形成为PI层。例如，底涂层220可以由促进与导体210的粘合增强的PI形成。在某些实施例中，底涂层220可以由与第一聚合层230中使用的PI具有不同配方的PI形成。例如，底涂层220可包括通过使二酐组分(例如，均苯四甲酸二酐或PMDA)与含有2,2-双[4-(4-氨基苯氧基)苯基]丙烷(“BAPP”)的二胺组分反应而形成的PI。第一聚合层230可以包括通过使二酐组分与4,4’-氧二苯胺(“ODA”)反应形成的PI。然后可以在填充的PI层上形成作为面层的第二聚合层240。例如，第二聚合层240可以形成为PAI面层，其类似于以上参考图1A讨论的面层130。
实际上，各种合适的磁漆组合可以根据需要由任何合适的材料和/或材料的组合形成。另外，类似于图1A的线100，图2A的线200可以包括至少一个包括合适填料的PI层。在某些实施例中，可在导体210周围(例如，直接在导体210周围，在一个或更多个基础层周围等)形成一个或更多个填充的PI层。然后可以在这一个或更多个填充的PI层周围形成一个或更多个未填充的层或自润滑层，诸如未填充的面层(例如，未填充的第二聚合层240)。例如，可以在一个或更多个填充的PI层上形成PI的未填充层或PAI的未填充层。未填充层可以辅助减少与用作填充的PI层中的填料的磨料相关联的工具磨损。
继续参考图1A-图2B的线100、150、200、250，在某些实施例中，可以掺入一种或更多种合适的粘合促进剂。例如，粘合促进剂可以用于辅助或有利于导体与底涂层之间的更强粘合。作为另一个示例，粘合促进剂可以用于辅助或有利于两个不同漆包层之间的更强粘合。根据需要可以利用各种合适的粘合促进剂。在某些实施例中，Cymel材料或树脂(诸如由湛新公司(Allnex)制造和销售的Cymel材料)可以用作与PI结合的粘合促进剂。例如，合适的Cymel材料可以用于有利于磁线的PI漆包层和下面的层(例如，底涂层、导体等)之间的更强粘合。在某些实施例中，可通过使胺部分与甲醛材料反应来形成Cymel材料。可以根据需要利用其他类型的Cymel材料和/或交联材料。
在其他实施例中，可以在导体和/或任何数量的漆包层上利用一种或更多种合适的表面改性处理，以促进与随后形成的漆包层的粘合。合适的表面改性处理的示例包括但不限于等离子体处理、紫外线(“UV”)处理、电晕放电处理和/或气体火焰处理。表面处理可以改变导体或漆包层的形貌和/或在导体或漆包层的表面上形成官能团，其增强或促进随后形成的漆包层或其他层的粘结。在某些实施例中，改变的形貌还可以增强或改善用于形成随后的漆包层的清漆的润湿性，这可以改变被处理层的表面张力。因此，表面处理可以减少层间剥离。
如在某些实施例中根据需要，除了多个漆包层之外，一层或更多层其他绝缘体还可结合到磁线100、150、200、250中。例如，一个或更多个挤出的热塑性层(例如，挤出的过敷层(overcoat)等)、半导体层、带绝缘层(例如，聚合物带等)和/或保形涂层(例如聚对二甲苯涂层)可以结合到磁线100、150、200、250中。可以根据需要利用各种其他绝缘构造和/或层组合。另外，整个绝缘系统可以包括由任何合适材料和/或材料的组合形成的任意数量的合适的子层。
根据本公开的一个方面，一个或更多个聚酰亚胺层(以及可能的其他漆包层)可以包括合适的填料。例如，结合到磁线(诸如磁线100、150、200、250)中的一个或更多个PI漆包层可以包括合适的填料。另外，填料可以包括至少氧化钛(TiO2)和二氧化硅(SiO2)的共混物。共混物还可以根据需要包含其他合适的材料，诸如氧化铬(CrO2)。添加填料可以改善由磁线上的填充的PI形成的漆包层的耐电晕性和/或热寿命。因此，磁线和/或结合磁线的电气设备(例如电动机等)的寿命在局部放电和/或其他不利条件下可以增加或延长。
在某些实施例中，添加填料还可以改善磁线100、150、200、250的热导率。实际上，一个或更多个填充的PI绝缘层可以起到将热量传导或从磁线100、150、200、250的导体中吸走热量的作用。因此，与不包括填充绝缘层的常规磁线相比，磁线100、150、200、250可以以相对较低的温度工作。例如，当用于电机中时，磁线100、150、200、250和/或电机可以以约5、6、7、8、9、10、11或12摄氏度的温度工作，该温度低于不利用填充绝缘层的常规设备。此改善的热导率可以有利于磁线和/或电机在较高电压的工作，从而改善输出。
可以以任何合适的比率将填料材料添加到PI中。例如，在某些实施例中，以重量计，在填充的PI漆包绝缘层中的填料的总量可以为约百分之十(10％)至约百分之二十五(25％)。在其他实施例中，以重量计，填料的总量可以为约百分之十五(15％)至约百分之二十(20％)。在各种其他实施例中，以重量计，填料的总量可以为约5％、7.5％、10％、12.5％、15％、17％、17.5％、20％、25％、30％、35％、40％、45％或50％，包括在以上值中的任何两个之间的范围内的量，或包括在由以上值中的一个在最小或最大端界定的范围内的量。在总填料含量水平以重量计远低于约5％下，绕组寿命的显著改善未被观察到，并且在总填料含量水平以重量计大于约50％下，绝缘挠性可能不可接受。
对于掺入到填料中的各种组分，可以采用各种共混比或混合比。例如，氧化钛和二氧化硅可以以各种合适的重量比共混。在各种实施例中，填料可包括以重量计约百分之二十(20％)至约百分之八十(80％)的二氧化硅和以重量计约百分之二十(20％)至约八十(80％)的氧化钛。例如，填料可包括以重量计约20％、25％、30％、33％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、67％、70％、75％或80％的二氧化硅，包括在以上值中的任两个之间的范围(例如20％至40％等)内的重量百分比，或包括在由以上值中的一个在最小或最大端界定的范围内的重量百分比(例如，至少20％等)。类似地，填料可包括以重量计约20％、25％、30％、33％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、67％、70％、75％或80％的氧化钛，包括在以上值中的任两个之间的范围(例如20％至40％等)内的重量百分比，或包括在由以上值中的一个在最小或最大端界定的范围内的重量百分比(例如，至少20％等)。根据需要，第一组分(例如，氧化钛)与第二组分(例如，二氧化硅)的比率可以为约80/20、75/25、70/30、67/33、65/35、60/40、55/45、50/50、45/55、40/60、35/65、33/67、30/70、25/75、20/80或任何其他合适的比率。
作为一个示例，氧化钛和二氧化硅可以以约75/25的重量比共混。换句话说，以重量计，填料可以包含约75％的氧化钛和约25％的二氧化硅。如果PI漆包层包含以重量计约15.0％的填料，则PI漆包层可以包含以重量计约11.25％的氧化钛和约3.75％的二氧化硅。根据需要，可以利用各种其他填料比率(例如，漆包层内的填料的比率)和/或共混比率(例如，用于制造填料的组分的比率)。以上示例并非旨在进行限制。
另外，在某些实施例中，可以基于一种或更多种期望的性质来选择填料中利用的组分。例如，第一填料组分(例如，氧化钛等)可以被选择为具有相对低电阻率的无机氧化物并且第二填料组分(例如，氧化硅等)可以被选择为具有相对大表面积的无机氧化物。然后可以在形成漆包层之前将混合物添加到PI中。换句话说，PI层可以包括大表面积的无机氧化物和低电阻率的无机氧化物的混合物。据信，大表面积的无机氧化物允许更多的能量穿过绝缘体，从而减少由电气设备中的高压和高频波形引起的绝缘体退化。二氧化硅(silicaoxide)或二氧化硅(silica)可以按具有各种比表面积(诸如约90至约550m2/g的表面积)的牌号商购获得。例如，可从赢创德固赛公司(Evonik Degussa Corporation)获得的AEROSIL90具有90m2/g的比表面积，而可从卡博特公司(Cabot Corporation)获得的CAB-O-SIL EH-5具有380m2/g的比表面积。在某些实施例中，对电子设备的绕组中存在的电压波形的抗性可以通过增加二氧化硅表面积来改善。因此，优选比表面积在约380m2/g至约550m2/g之间的二氧化硅牌号，或者比表面积大于约380m2/g、550m2/g或另一阈值的二氧化硅牌号可以提供改善的性能。
填料的组分可包括任何合适的粒径、表面积和/或其他尺寸。例如，填料组分可具有小于约一微米的标称粒径。在某些实施例中，填料组分可包括纳米颗粒。另外，可以利用各种合适的方法和/或技术将填料添加到PI聚合物中。在某些实施例中，可以将填料球磨或以其他方式研磨或磨碎以便将团块减小至所需量以下，诸如Hegman量规或研磨度为八(“八”)或更细。这些通常以较高的浓度制备，并且可以在最终制剂的最终“下降(letdown)”中减小。根据需要，可以将填料研磨或磨碎，直至粒径小于约1.0微米。可以根据需要获得其他粒径。可以将填料掺入PI树脂、PAI载体树脂或另一种树脂中以形成浓缩的“浆料”，然后将其添加到PI磁漆中以制成最终制剂。
在某些实施例中，可以在溶剂存在时将填料直接研磨成PI清漆。在其他实施例中，可以将填料在另一种物质中研磨，然后添加至PI清漆中。根据需要，可以形成包含PI聚合物和填料的PI浆料。在其他实施例中，可以将填料研磨或共混到另一种聚合浆料中，且然后可以在施加漆包层之前将聚合浆料与PI组合。例如，可以将填料研磨或磨碎成聚酰胺酰亚胺(“PAI”)以形成PAI浆料，并且可以在形成PI漆包层之前将PAI浆料与PI组合。应当理解，在研磨期间添加溶剂可以防止填料颗粒再次团块或结块。
一旦将填充的浆料分散在PI聚合物中，就可以以任何合适的方式将PI聚合物施加到导体。例如，未固化的PI绝缘体可以使用多通道涂覆和擦拭模具施加到磁线上，然后以升高的温度固化(例如，在漆包烘炉中固化)。任何期望数量的PI聚合物层可以被结合或形成在磁线上。在各种实施例中，这些PI层可以直接在导体周围或在一个或更多个基础层之上形成。此外，在某些实施例中，一层或更多层(例如，聚酰胺酰亚胺面层、挤出层等)可以形成在PI聚合物层上。
相对于常规磁线磁漆，包括一个或更多个填充的PI漆包层的磁线100、150、200、250可以表现出改善的耐电晕性和/或热性能。例如，使用一个或更多个填充的PI漆包层可以提供240级或更高的热学等级的磁线。在某些实施例中，一些填料的抗氧化性质还可以引起获得具有260℃的耐热等级、280℃的耐热等级或更高的填充的PI绝缘体。在不实质减小磁线耐热等级情况下，添加一个或更多个PAI层(例如PAI面层)可以提供附加韧性和耐磨性。
此外，将一种或更多种填料添加到PI中可以在不负面影响或破坏绝缘体的热老化情况下改善逆变器使用寿命和/或电机寿命。实际上，在某些实施例中，添加一种或更多种填料可以改善或提高在某些温度的磁线绝缘体的热寿命。例如，使用填充的PI绝缘体可引起在约300℃的热寿命大于约1,000、2,000、3,000或4000小时。相比之下，常规的未填充的PI可以在约300℃具有约400至500小时的热寿命。说明填充的PI的正向结果的一些示例在下文中将详细说明。
以上参考图1A-图2B描述的磁线100、150、200、250仅以示例的方式提供。在各个实施例中，根据需要，可以采用图示的磁线100、150、200、250的多种替代方法。例如，除一个或更多个漆包层之外，可以将各种不同类型的绝缘层结合到磁线100、150、200、250中。作为另一示例，可以更改磁线100、150、200、250和/或一个或更多个绝缘层的横截面形状。实际上，本公开设想各种合适磁线构造。这些构造可以包括具有任意数量的层和/或子层的绝缘系统。
示例
以下示例旨在作为说明性和非限制性的，并表示本发明的具体实施例。除非另有说明，否则示例中讨论的线样本均被制备为18AWG线，其带有“重”漆包构造。换句话说，使用多通道涂覆和擦拭模将线磁漆施加到18AWG铜线上。“重”磁漆构造的标称绝缘构造约为3.0密耳(0.0762mm)。
表1中所说明的第一示例比较在PI磁漆上添加一个或更多个未填充的聚酰胺-酰亚胺(“PAI”)面层的效果。测试对比样本的热老化、重复刮擦、热指数和在温度时的热寿命。
Figure GDA0003095522010000151
表1：PAI面层对PI磁漆的影响
如表1所示，在PI磁漆上形成单层或多层PAI面层对线的热力性质影响很小。48小时热老化结果略有减小；然而，热老化在仅具有PI磁漆的线和具有PAI面层的线之间类似。这些结果是出乎意料的，因为由于察觉到的固化差异，PAI和PI通常不相互结合使用。
另外，如重复刮擦测试所示，添加PAI面层大大增强线的耐磨性能。在重复刮擦测试中，将配重的针头放置以与直的线接触，且将针头在线上来回刮擦。测试结果说明，在穿透绝缘体之前需要一定数量的刮擦。此外，线样本的Techrand可卷绕性结果相似。因此，线样本具有相似的机械性能。
表2中阐述的第二示例比较可以作为PI或PAI浆料中的浓缩物添加到PI中的各种填料。首先，表2说明在PI磁漆中添加包含氧化钛和二氧化硅的填料的效果。对于表2中所示的第一示例，将填料材料直接添加到PI中以形成PI浆料，且然后将PI浆料添加到PI磁漆中。然后，表2说明磁漆，其中已将填料添加到PAI中以形成PAI浆料。然后将PAI浆料添加到PI磁漆中。用氧化钛和二氧化硅的共混物以及氧化铬和二氧化硅的共混物制备PAI浆料。对于填充的PI磁漆中的每个，将填料材料进行球磨且然后用于形成PI浆料或PAI浆料。然后将形成的“浆料”添加到PI。如果利用PAI浆料，则最终绝缘体中PAI的总量以重量计可以高达绝缘树脂的约20％，并且似乎不损害绝缘体的热力性质。
Figure GDA0003095522010000161
表2：比较填充的PI和PAI样本
为了测量逆变器的使用寿命，使用逆变器驱动器和三相电动机在艾塞克斯(Essex)的磁线测试实验室测试各种磁线。由该线制成典型的介电双绞线，并且该介电双绞线放置在200℃的炉中。然后，通过双绞线中的每个线发送从575伏(峰峰值为1750伏)交流逆变器驱动器形成的高压高频波形。监视各自长度大致相同的双绞线，直到发生短路为止，且然后记录短路时间。短路(故障)时间越长，绝缘体退化的抗性越好。各种磁线漆包制剂的故障时间可以被称为测量或确定的逆变器寿命。
如表2所示，相对于未填充的漆包材料，填充的PI(甚至是包含填料PAI“浆料”的填充PI)可以提供优异的逆变器使用寿命。另外，与未填充的PI材料相比，填充的PI可表现出增强的热老化性能。添加粘合促进剂可改善线样本的挠性，减少剥离并改善热冲击和重复刮擦。
示出优异结果的几个样本包括填充氧化钛和二氧化硅的组合的PI磁漆。此填料组合在热老化测试期间提供最佳生存能力结果。如所示，一个样本线热老化测试期间在290℃提供5000小时以上的使用寿命，其可指示处于280℃的耐热等级或耐热指数的材料。
还将用包括氧化钛和二氧化硅的组合的填充PI磁漆制备的线的样本与几种常规磁线比较。具有填充PI磁漆的线包括18AWG重型构造铜线和更大的12AWG铜线。以0.0032英寸的漆包构造来制备18AWG线样本，且以0.0043英寸的漆包构造来制备12AWG线样本。然后将这些线与常规的漆包线(例如，常规的未填充的PI线)以及用缠绕在导体周围的耐电晕带绝缘的常规线比较。耐电晕带包括杜邦公司(DuPont)生产的Kapton CR带和钟渊化学公司(Kaneka)生产的Apical带。以下的表3说明比较的结果。
对各种线执行各种比较测试，包括热耐久性、脉冲耐受性、介电击穿和重复刮擦测试。根据由ASTM International提出的ASTM D2307标准执行热耐久性测试。使用中国GB/T21707-2008测试方法执行脉冲耐受性测试，上升时间为100ns。根据由美国国家电气制造商协会制定的标准NEMA测试程序，对由磁线样本形成的双绞线执行介电击穿测试。
使用与以上参考表1讨论的程序相似的程序执行重复刮擦测试。
Figure GDA0003095522010000171
表3：填充的PI样本与常规线的比较
如表3所示，与未填充PI的常规18AWG线相比，具有填充的PI的18AWG线具有高得多的脉冲耐受性和逆变器寿命。因此，相对于未填充的PI线，填充的PI线将具有改善的耐电晕性性能。
另外，与用缠绕的耐电晕聚酰亚胺带绝缘的12AWG线相比，具有填充PI的12AWG线具有改善的脉冲耐受性能。填充的PI线还具有较薄绝缘构造，从而允许线具有小于用带绝缘的线的直径。因此，可以将12AWG填充的PI线结合到常规利用具有耐电晕带绝缘体的线的应用中，同时提供某些改善的性能特征。漆包绝缘线比具有带绝缘体的常规线也更容易加工和处理。漆包线能够由自动绕线机收起和绕线；然而，这些机器可损坏常规带绝缘体。
表4中所说明的第四示例比较将填料添加到包含不同共混比下的氧化钛和二氧化硅两者的PI的效果。将填料材料共混成浆料，且在将其涂覆线样本之前添加到PI中。另外，填充的PI层包括以重量计约15％的填料。
线样本以约20英尺/分钟的线速度形成。
Figure GDA0003095522010000181
表4：在PI中的二氧化硅/氧化铬填料的影响
如表4所示，添加含有氧化钛和氧化硅的填料改善具有PI磁漆的磁线的逆变器寿命。在填充的PI磁漆上添加PAI面层还可提供改善的重复刮擦结果。
对于电压耐受性测试，在约155℃以约10％的伸长率将3500伏信号传送到线样本上，其中伸长将附加应力施加到线上。然后测量每个线样本的直到故障的时间。Df和TanDelta测试可以测量线样本的电绝缘损耗。
如表4所示，较高量的氧化钛提供改善的电压耐受性；然而较高量的氧化钛也有助于增加绝缘体的电损耗，如Df和tan delta值所指示。类似地，较高量的氧化硅提供在绝缘体中的较少电损耗，同时具有较低电压耐受性能。可以用氧化钛和氧化硅的共混物作为填料来优化绝缘性能。例如，可以用填料来优化绝缘性能，该填料包含以重量计约20％至约80％之间的氧化钛和以重量计约20％至约80％之间的氧化硅。在一个示例实施例中，用填料可以实现改善的性能，该填料包含以重量计在约60％至约80％之间的氧化钛和以重量计在约20％至40％之间的氧化硅。
另外，尽管表2-4中包括的样本提供特定的共混比率和总填充率(例如，以重量计构成绝缘体约15％等)，但是各种其他合适的共混比率和/或填充率可以在其他实施例中利用。
除非特别说明或在使用的上下文中以其他方式理解，否则条件性语言(例如“可”、“会”、“可能”或“可以”等)通常旨在传达某些实施例可以包括某些特征、元件和/或操作，但其他实施例不包括。因此，这类条件性语言通常不旨在暗示一个或更多个实施例以任何方式要求特征、元件和/或操作，或者一个或更多个实施例必须包括用于(在有或没有用户输入或提示的情况下)决定这些特征、元件和/或操作是否包括在任何特定实施例内或将在其中执行的逻辑。
受益于前述说明书和相关附图中呈现的教导，许多修改和本文阐述的本公开的其他实施例将是明显的。因此，应当理解，本公开不限于所公开的特定实施例，并且修改和其他实施例旨在包括于所附权利要求的范围内。尽管本文采用特定术语，但是它们仅在一般和描述性意义上使用，而不是出于限制的目的。

Claims (28)

1.一种磁线，包括：
导体；以及
至少一层聚合漆包绝缘体，所述聚合漆包绝缘体形成在所述导体周围，所述聚合漆包绝缘体包括分散在聚酰亚胺中的填料以及粘合促进剂，所述粘合促进剂包括与甲醛材料反应的胺部分，
其中，所述填料包括以重量计为20％至80％之间的二氧化硅和以重量计为20％至80％之间的氧化钛，
其中，所述聚合漆包绝缘体具有260℃或更高的耐热指数，并且
其中，所述聚酰亚胺是热固性的。
2.根据权利要求1所述的磁线，其中，所述填料包括以重量计为60％至80％之间的氧化钛以及以重量计为20％至40％之间的二氧化硅。
3.根据权利要求1所述的磁线，其中，所述填料以重量计构成所述聚合漆包绝缘体的10％至25％。
4.根据权利要求1所述的磁线，其中，所述填料以重量计构成所述聚合漆包绝缘体的15％至20％。
5.根据权利要求1所述的磁线，其中，所述粘合促进剂包括Cymel。
6.根据权利要求1所述的磁线，其中，所述至少一层聚合漆包绝缘体包括多层聚合漆包绝缘体。
7.根据权利要求1所述的磁线，还包括在所述至少一层聚合漆包绝缘体周围形成的面层绝缘层。
8.根据权利要求7所述的磁线，其中，所述面层绝缘层包括未填充层。
9.根据权利要求7所述的磁线，其中，所述面层绝缘层包括聚酰胺酰亚胺。
10.根据权利要求7所述的磁线，其中，所述面层绝缘层的厚度是所述聚合漆包绝缘体和所述面层绝缘层的组合的总厚度的5％至15％。
11.一种磁线，包括：
导体；以及
填充的聚合漆包绝缘体，所述填充的聚合漆包绝缘体形成在所述导体周围，所述填充的聚合漆包绝缘体包括(i)以重量计为10％至25％之间的填料以及(ii)粘合促进剂，所述粘合促进剂包括与甲醛材料反应的胺部分，
其中，所述填料包括以重量计为20％至80％之间的二氧化硅和以重量计为20％至80％之间的氧化钛，
其中，所述填充的聚合漆包绝缘体具有260℃或更高的耐热指数，并且
其中，所述填料分散在热固性的聚酰亚胺中。
12.根据权利要求11所述的磁线，其中，所述填料包括以重量计为60％至80％之间的氧化钛以及以重量计为20％至40％之间的二氧化硅。
13.根据权利要求11所述的磁线，其中，所述填料以重量计构成所述填充的聚合漆包绝缘体的15％至20％。
14.根据权利要求11所述的磁线，其中，所述粘合促进剂包括Cymel。
15.根据权利要求11所述的磁线，其中，所述填充的聚合漆包绝缘体包括多层聚合漆包绝缘体。
16.根据权利要求11所述的磁线，还包括在所述填充的聚合漆包绝缘体周围形成的面层绝缘层。
17.根据权利要求16所述的磁线，其中，所述面层绝缘层包括未填充层。
18.根据权利要求16所述的磁线，其中，所述面层绝缘层包括聚酰胺酰亚胺。
19.根据权利要求16所述的磁线，其中，所述面层绝缘层的厚度是所述填充的聚合漆包绝缘体和所述面层绝缘层的组合的总厚度的5％至15％。
20.一种形成磁线的方法，所述方法包括：
提供导体；以及
在所述导体周围形成聚合漆包绝缘体，所述聚合漆包绝缘体包括(i)以重量计为10％至25％之间的填料以及(ii)粘合促进剂，所述粘合促进剂包括与甲醛材料反应的胺部分，
其中，所述填料包括以重量计为20％至80％之间的二氧化硅和以重量计为20％至80％之间的氧化钛，
其中，所述聚合漆包绝缘体具有260℃或更高的耐热等级，并且
其中，所述填料分散在热固性的聚酰亚胺中。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，形成聚合漆包绝缘体包括形成具有包括以重量计为60％至80％之间的氧化钛以及以重量计为20％至40％之间的二氧化硅的填料的聚合漆包绝缘体。
22.根据权利要求20所述的方法，其中，形成聚合漆包绝缘体包括形成包括以重量计为15％至20％之间的所述填料的聚合漆包绝缘体。
23.根据权利要求20所述的方法，其中，所述粘合促进剂包括Cymel。
24.根据权利要求20所述的方法，其中，形成聚合漆包绝缘体包括形成多层聚合漆包绝缘体。
25.根据权利要求20所述的方法，还包括：
在所述聚合漆包绝缘体周围形成面层绝缘层。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，形成面层绝缘层包括形成未填充的面层绝缘层。
27.根据权利要求25所述的方法，其中，形成面层绝缘层包括形成聚酰胺酰亚胺面层绝缘层。
28.根据权利要求25所述的方法，其中，形成面层绝缘层包括形成具有厚度为所述聚合漆包绝缘体和所述面层绝缘层的组合的总厚度的5％至15％的面层绝缘层。
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