CN115160753A - 一种高导热bmc的制备及塑封电机上的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高导热BMC的制备及塑封电机上的应用，通过高导热填料球形的氧化铝替代碳酸钙填料来提高BMC塑封的导热系数对电机温升的影响。BMC包括以下组分含量：不饱和聚酯树脂和低收缩剂混合20％；玻璃纤维6％；氢氧化铝24％；氧化铝20％；碳酸钙27％；助剂3％；制备工艺，(1)、将配方中的液体组份和助剂先在高速打浆机中充分散、搅拌制备成糊料；(2)、将配方中的氢氧化铝、氧化铝、碳酸钙粉体填料投入捏合机中拌和，然后将上述(1)准备好的糊料倒入捏合机中，进行充分的捏合拌和，完成液‑固两相的均匀混合制备膏体；(3)、将配方中的短切玻纤，在开机状态下撒落在已拌匀的膏体上，5‑8分钟强力拌和，至短切玻纤都被膏体包覆浸渍即可。

Description

一种高导热BMC的制备及塑封电机上的应用
技术领域
本发明属于BMC材料技术领域，具体地说是涉及一种高导热BMC的制备及塑封电机上的应用。
背景技术
BMC材料是Bulk molding compounds的缩写，即团状模塑料。国内常称作不饱和聚酯团状模塑料。其主要原料由UP(不饱和树脂)、GF(短切玻璃纤维)、MD(填料碳酸钙)以及各种添加剂经充分混合而成的料团状预浸料，用于注塑或模压成型。
通过添加氢氧化铝等阻燃剂可使BMC材料获得良好的阻燃性。BMC团状模塑料具有优良的电气性能、机械性能、耐热性、耐化学腐蚀性，又适应各种成型工艺，可满足各种产品的性能要求。
塑封电机采用BMC料进行塑封，BMC料与电机绕组直接接触，绕组产生的热量通过BMC料传递出去，因此BMC料导热性高低将直接影响塑封电机的温升。按热传导机理，热传导是由热传导介质内部或相互接触物体之间的分子、原子以及电子等微观粒子的热运动而产生的热传递现象，衡量热传导介质热性能的物理量是导热系数，热传导介质的导热系数越高，热量传导的越多。如果提高BMC料的导热系数，理论上可以降低塑封电机的绕组和表面温升，目前塑封电机用BMC料的导热系数普遍在1.0W/(m.K)左右。
如上所述，电机工作中会产生大量热能，长期高温工作会促进电机轴承的磨损，油脂析出，高分子材料及电子元件的老化，振动和噪音随时间迅度上升使其性能大幅下降影响电机的可靠性及使用寿命，参考已有研究报告电机温度每高10度使用寿命将降低一半，因此降低电机温升提高电机持续可靠性及使用的寿命成为塑封行业的一个焦点。
发明内容
鉴于以上背景技术的缺点，本发明的目的是提供一种高导热BMC的制备及塑封电机上的应用，通过高导热填料球形的氧化铝替代碳酸钙填料来提高BMC塑封的导热系数对电机温升的影响。
为解决上述技术问题，本发明的目的是这样实现的：
一种高导热BMC的制备，BMC包括以下组分含量：不饱和聚酯树脂和低收缩剂混合20％；玻璃纤维6％；氢氧化铝24％；氧化铝20％；碳酸钙27％；助剂3％；
制备工艺，包括以下步骤：
(1)、将配方中的液体组份和助剂先在高速打浆机中充分散、搅拌制备成糊料；
(2)、将配方中的氢氧化铝、氧化铝、碳酸钙粉体填料投入捏合机中拌和，然后将上述(1)准备好的糊料倒入捏合机中，进行充分的捏合拌和，完成液-固两相的均匀混合制备膏体；
(3)、将配方中的短切玻纤，在开机状态下撒落在已拌匀的膏体上，5-8分钟强力拌和，至短切玻纤都被膏体包覆浸渍即可，不宜过久而折断玻纤引起降解；
(4)、倾倒出料，称重分装入不透气的薄膜包装袋中，口部扎紧，常温下自然熟化3-5天即可使用；若要求不高也可直接使用。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：氧化铝为复合氧化铝，球形的氧化铝具有不相同的粒径，1-20微米。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：碳酸钙100-2000目；氢氧化铝800目。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：高度打浆机的混合温度40-50℃；捏合机采用Z形捏合机。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：玻璃纤维开刀丝，切割，蓬松，烘干60-80℃/8h，或80-100℃/2h；短切玻纤的长度为3-10毫米。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：玻璃纤维开刀丝，切割，蓬松，烘干60-80℃/8h，或80-100℃/2h；短切玻纤的长度为3-10毫米。
一种采用高导热BMC制备塑封电机上的应用，包括以下步骤：
(1)、加料：将BMC倒入料斗内，料管预先加热，通过料管排出；
(2)、注塑：模具预先加热，合模，座模前进但留有一定间隙，将BMC通过料管注射入预热的钢质模具中，排出内部气体，模腔内充满BMC，
(3)、固化：注射结束，模具闭合压缩BMC；保持压力，加热固化反应成型；
(4)、成品：底座后退，打开模具，顶出成品，修正成品，清理模具。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：料管的温度为50-60℃；注射压力为40-70兆帕，注射时间为0.5-2秒；模具温度为120-160℃；固化时间为10-60秒；压力应控制在10MPa左右。
本发明相比现有技术突出且有益的技术效果是：
本发明的高导热BMC的制备及塑封电机上的应用，与现有技术相比，采用高导热填料球形的氧化铝代替现有配方中导热系数较低的碳酸钙作填料来提高BMC塑封的导热系数对电机温升的影响；具有以下优点，
1)制备了两种高导热BMC料，导热系数分别为1.6W/(m.K)和1.9W/(m.K)，型号分别为B15-1和B15-3；力学性能比量产料B9-3有所下降但在技术要求范围内；
2)采用导热系数为1.9W/(m.K)的B15-3塑封电机在绕组上能实现比现有量产料降低6K～10K温升；
3)B15-3符合环境适应性(技术要求参现有考量产料B9-3)，并进行1400小时的持续可靠性试验，现有的塑封电机品质得到更好地提升；
附图说明
图1是球形氧化铝显微镜下结构示意图。
图2是本发明的塑封电机上的应用制备过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步描述；
本实施例给出了一种高导热BMC的制备，主原材料的基本性质：
表1：氧化铝及碳酸钙
物料名称 导热系数W/mK 莫氏硬度
碳酸钙 2.7 3.0
球形氧化铝 30 5.5
从表1可知：
1)氧化铝导系数是碳酸钙的11倍，理论上添加量越高BMC料的导热系数越高；
2)氧化铝硬达到5.5，过高含量的高硬度填充会对生产设备的磨损及配方中增强纤维的过高的剪切会导致力学性能的下降。
BMC包括以下组分含量：不饱和聚酯树脂和低收缩剂混合20％；玻璃纤维6％；氢氧化铝24％；氧化铝20％；碳酸钙27％；助剂3％；
根据上述组分进行试验对比：
1：B9-3、现有量产塑封电机用配方；
2：B15-1、采用20％氧化铝制备；
3：B15-3、采用20％采用不同粒径的氧化铝制备；
表2：实验配方成本表
Figure BDA0003770727690000051
实验采用如下原材料：
表3：
Figure BDA0003770727690000061
具体制备工艺，包括以下步骤：
(1)、将配方中的液体组份和助剂先在高速打浆机中充分散、搅拌制备成糊料；
(2)、将配方中的氢氧化铝、氧化铝、碳酸钙粉体填料投入捏合机中拌和，然后将上述(1)准备好的糊料倒入捏合机中，进行充分的捏合拌和，完成液-固两相的均匀混合制备膏体；
(3)、将配方中的短切玻纤，在开机状态下撒落在已拌匀的膏体上，5-8分钟强力拌和，至短切玻纤都被膏体包覆浸渍即可，不宜过久而折断玻纤引起降解；
(4)、倾倒出料，称重分装入不透气的薄膜包装袋中，口部扎紧，常温下自然熟化3-5天即可使用；若要求不高也可直接使用。
如上所述，通过上述制备工艺和材料制备本发明所需的BMC；
进一步的，氧化铝为复合氧化铝，球形的氧化铝具有不相同的粒径，1-20微米。
如上所述，单一粒径的氧化铝和多种不同粒径的氧化铝进行对比，获得更好性能的产品；
进一步的，碳酸钙100-2000目；氢氧化铝800目。高度打浆机的混合温度40-50℃；捏合机采用Z形捏合机。
进一步的，玻璃纤维开刀丝，切割，蓬松，烘干60-80℃/8h，或80-100℃/2h；短切玻纤的长度为3-10毫米。
导热系数：如上所述，上述生产的BMC测试导热系数：
导热系数测试采用(50±2)mm×(50±2)mm×(10±0.5)mm尺寸的试样。先调节主加热板与副加热板夹持试样在中间，以及主加热板与副加热板之间的温差，使之达到平衡；达到稳定状态(稳定状态是指在主加热板功率不变的情况下，20min内试样表面温度波动不大于试样两面温差的1％，且最大不得大于1℃)后，测量主加热板功率和试样两面的温差，试验即可结束。测试两次取平均值；按下列公式计算导热系数。
Figure BDA0003770727690000081
式中：λ为导热系数，单位为W/(m·K)；Φ为主加热板稳定时的功率，单位为W；d为试样厚度，单位为m；A为试样横截面积，单位为m2；t1为试样热面温度，单位为℃；t2为试样冷面温度，单位为℃。
表4-导热系数测试结果
Figure BDA0003770727690000082
从测试结果可以看出，B15-1的导热系数达到1.6W/(m.K)，B15-3的导热系数达到1.9W/(m.K)，均比目前现有量产BMC料B9-31.0W/(m.K)左右导热系数高。
参考现有量产配方B9-3的技术要求，对表4的三个方案进行形成实验性能，得到如下表格：
表5：信赖性实验报告总表
Figure BDA0003770727690000091
Figure BDA0003770727690000101
根据上述实验结果，所制备的B15-1,B15-3收缩率及流动性相当，力学性均有下降但均在技术要求范围内。
综上所述：
1)采用氧化铝作为高导热填料添加到BMC料中制备了两种高导热BMC料，分别是B15-1和B15-3，导热系数分别为1.6W/(m.K)和1.9W/(m.K)。
2)B5-1，B15-3力学性能比现有量产料B9-3有所下降，但均在技术要求范围内。
一种采用高导热BMC制备塑封电机上的应用，包括以下步骤：
(1)、加料：将BMC倒入料斗内，料管预先加热，通过料管排出；
(2)、注塑：模具预先加热，合模，座模前进但留有一定间隙，将BMC通过料管注射入预热的钢质模具中，排出内部气体，模腔内充满BMC，
(3)、固化：注射结束，模具闭合压缩BMC；保持压力，加热固化反应成型；
(4)、成品：底座后退，打开模具，顶出成品，修正成品，清理模具。
根据上述制备方法，制备了导热系数为1.6W/(m.K)和1.9W/(m.K)的两种高导热BMC料，现将两种高导热BMC料应用于塑封电机上，测试电机绕组温升的影响。采用表4个BMC配方，(以现有量产配方1.0W/(m.K)作为参考值)；B15-1，B15-3采用现有量产B9-3相同的工艺参数情况进行塑封，电机型号40010-59。
表6：实验机型
Figure BDA0003770727690000111
表7：实验仪器
名称 型号
热电偶 TES－004
温度仪 TES－7047
外观整体光亮，固化良好，未有发现性能不良，成型性和现有量产B9-3相当。
温升实验方法
采用温度计法：Vm＝380V、Vcc＝15V、Vsp＝4.5V带模拟负载(JP风盘Φ230)连续运行至温度稳定。用温度记录仪记录表面、绕组、环境温度。电机在常温下电压AC230V/50HZ带模拟负载(FC-7Φ214(SP))连续运行至温度稳定。用温度记录仪记录表面、绕组、环境温度。
表8：40010-59电机温升
Figure BDA0003770727690000121
如上所述，
1)导热系数1.6W/(m.K)B15-3同比现有量产料1.0W/(m.K)B9-3绕组温升降低5.3K；
2)导热系数1.9W/(m.K)B15-3同比量产料1.0W/(m.K)B9-3绕组温升降低达到9.77K；
总结
1、随着塑封电机用BMC料导热系数的增加，电机温升逐渐降低；
2、导热系数1.9W/(m.K)的B15-3比现有量产B9-3温升降低9.77K，综上选用B15-3性能更佳。
采用导热系数为1.9W/mK的B15-3塑封电机进行可靠性试验，技术要求参考现有量产料B9-3。
表9：B15-3环境适应性(漏电流测试条件为1800V/2S,绝缘电阻500V/1min)
Figure BDA0003770727690000131
Figure BDA0003770727690000141
从上述测试结果可以看出，B15-3符合环境适应技术要求。
耐久性试验测试方法：采用电阻法，参考《QMAD-J070.0001-2018电机产品单体耐久试验标准》进行
表10：耐久性试验后电机温升
Figure BDA0003770727690000142
从测试结果看出B15-3降低温升的能力在720h后趋于稳定。主相和副相绕组温升比量产B9-3平均降低7K～10K。
根据表9和表10测试结果，采用氧化铝制备的高导系数BMC料B15-3通过环境适应性试验，及1400小时的持续可靠性试验。
进一步的，料管的温度为50-60℃；注射压力为40-70兆帕，注射时间为0.5-2秒；模具温度为120-160℃；固化时间为10-60秒；以保证满模后快速固化。
压力应控制在10MPa左右；在封装成型时为防止损坏封装件。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；
上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高导热BMC的制备，其特征在于：BMC包括以下组分含量：不饱和聚酯树脂和低收缩剂混合20％；玻璃纤维6％；氢氧化铝24％；氧化铝20％；碳酸钙27％；助剂3％；
制备工艺，包括以下步骤：
(1)、将配方中的液体组份和助剂先在高速打浆机中充分散、搅拌制备成糊料；
(2)、将配方中的氢氧化铝、氧化铝、碳酸钙粉体填料投入捏合机中拌和，然后将上述(1)准备好的糊料倒入捏合机中，进行充分的捏合拌和，完成液-固两相的均匀混合制备膏体；
(3)、将配方中的短切玻纤，在开机状态下撒落在已拌匀的膏体上，5-8分钟强力拌和，至短切玻纤都被膏体包覆浸渍即可，不宜过久而折断玻纤引起降解；
(4)、倾倒出料，称重分装入不透气的薄膜包装袋中，口部扎紧，常温下自然熟化3-5天即可使用；若要求不高也可直接使用。
2.根据权利要求1所述的高导热BMC的制备，其特征在于：氧化铝为复合氧化铝，球形的氧化铝具有不相同的粒径，1-20微米。
3.根据权利要求1所述的高导热BMC的制备，其特征在于：碳酸钙100-2000目；氢氧化铝800目。
4.根据权利要求1所述的高导热BMC的制备，其特征在于：高度打浆机的混合温度40-50℃；捏合机采用Z形捏合机。
5.根据权利要求1所述的高导热BMC的制备，其特征在于：玻璃纤维开刀丝，切割，蓬松，烘干60-80℃/8h，或80-100℃/2h；短切玻纤的长度为3-10毫米。
6.一种采用高导热BMC制备塑封电机上的应用，其特征在于：包括以下步骤：
(1)、加料：将BMC倒入料斗内，料管预先加热，通过料管排出；
(2)、注塑：模具预先加热，合模，座模前进但留有一定间隙，将BMC通过料管注射入预热的钢质模具中，排出内部气体，模腔内充满BMC，
(3)、固化：注射结束，模具闭合压缩BMC；保持压力，加热固化反应成型；
(4)、成品：底座后退，打开模具，顶出成品，修正成品，清理模具。
7.根据权利要求6所述的高导热BMC的制备及塑封电机上的应用，其特征在于：料管的温度为50-60℃；注射压力为40-70兆帕，注射时间为0.5-2秒；模具温度为120-160℃；固化时间为10-60秒；压力应控制在10MPa左右。
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