CN116665988A

CN116665988A - 一种高起晕电压漆包线的制备方法

Info

Publication number: CN116665988A
Application number: CN202310696416.0A
Authority: CN
Inventors: 娄海鹏; 杜明新; 张恒岭; 吕名涛; 苗彩云; 穆云强
Original assignee: Henan Huayang Electric Technology Group Co ltd
Current assignee: Henan Huayang Electric Technology Group Co ltd
Priority date: 2023-06-13
Filing date: 2023-06-13
Publication date: 2023-08-29

Abstract

本发明公开了一种高起晕电压漆包线的制备方法，属于电线电缆技术领域。本发明利用介电梯度材料介电参数非均匀分布的绝缘结构，调控绝缘材料的介电特性分布，以实现均化电场分布，达到缓解局部电场过高现象，同时采用高介电绝缘漆作为外层结构，降低外部电场强度，提高电场均化程度，获得具有高耐电强度同时还能够抑制电晕发生的漆包线绝缘结构。

Description

一种高起晕电压漆包线的制备方法

技术领域

本发明涉及一种高起晕电压漆包线的制备方法，属于电线电缆技术领域。

背景技术

随着新能源汽车的普及，关于新能源汽车功能器件的研究日趋重要，作为新能源汽车核心部件的驱动电机，为了在有限的体积内提升车辆的动力性、经济性，不断地朝着高功率密度、高机电效率方向发展，对电机用绝缘材料的性能要求也越来越高。随着第三代宽禁带半导体的推广应用，新能源汽车驱动电机的使用电压提高、使用频率提升，导致承载高压的漆包线更容易出现局部放电和电晕等现象，从而对电机绝缘体系产生极大的破坏，加速了电机绝缘结构的老化，因此，从耐电晕或防电晕两个角度提升漆包线的性能可大幅提升驱动电机的使用寿命。

通常提高电机绕组耐电晕性能的方法有两种：第一类方法以结构优化为主，通过对绕组尺寸、漆膜厚度等进行优化，增加绝缘厚度，减小曲率从而抑制电晕产生，但是厚度的增加无疑减小了槽满率和散热性能，不符合新能源汽车电机减小体积、提高功率密度的实际需求。第二类方法以材料改性为主，通过对材料的配方设计和工艺优化，直接提高绕组漆膜的耐电晕性能，这种通过材料改性来提升耐电晕的方法，受到国内外广受关注。其中，研究者普遍认为纳米填料的导入可以调控材料的介电及耐电特性，尤其是在抗电晕、耐电树枝以及抑制空间电荷等特性上有，具有较为突出的提升效果，这在市场上已经得到验证。但是这种方法依旧存在制约因素，一方面纳米填料的引入会直接降低材料的击穿场强，另外纳米填料具有表面能高、易团聚的特点，在电磁线上分散性差，光滑度差，直接表现在耐电晕测试中值上时好时坏，给电机的使用过程带来隐患。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述问题，本发明提供一种高起晕电压漆包线的制备方法。

本发明的目的之一是提供一种耐电晕漆包线，该耐电晕漆包线由内到外依次为金属芯线、内层和非线性层，内层为超支化聚酯/环氧绝缘漆层，非线性层为改性环氧树脂屏蔽漆层。

进一步限定，内层由5层超支化聚酯/环氧绝缘漆层叠加构成，每层厚度为0.02mm。

进一步限定，相邻超支化聚酯/环氧绝缘漆层间超支化聚酯含量不同，5层超支化聚酯/环氧绝缘漆层由内到外含有的超支化聚酯质量依次为环氧树脂基体质量的7.5wt％、5wt％、2.5wt％、0wt％和10wt％。

进一步限定，超支化聚酯/环氧绝缘漆层是由超支化聚酯、环氧树脂基体、CTBN、固化剂和溶剂构成绝缘漆液通过固化得到。

进一步限定，环氧树脂基体包括环氧E12、环氧E42和CTBN，环氧E12和环氧E42的质量比为4:1，CTBN添加量为环氧E12的15wt％；固化剂为双氰胺，添加量为环氧树脂基体的2.5wt％。

进一步限定，非线性层厚度为0.005mm，改性环氧树脂屏蔽漆层是由KH550-GO、环氧树脂基体和溶剂构成屏蔽漆液通过固化得到。

进一步限定，KH550-GO为使用KH550改性的氧化GO，环氧树脂基体由质量比为4:1的环氧E12和环氧E42组成。

进一步限定，KH550-GO添加量为环氧树脂基体的0.3wt％或0.4wt％。

进一步限定，金属芯线为铜芯，直径为1mm。

本发明的目的之二是提供一种上述耐电晕漆包线的制备方法，具体的采用多道涂漆方式依次将超支化聚酯含量不同的超支化聚酯/环氧绝缘漆涂覆在金属芯线表面，涂覆一层固化一层，得到内层；然后在内层将表面涂覆非线性层。

本发明的目的之三是提供一种上述耐电晕漆包线的应用，具体的用于制备驱动电机。

本发明采用降低漆包线表面电位及分压的设计理念制备漆包线。漆包线成型过程中往往采用薄层多道次的多层涂漆工艺，这就为基于不同介电常数材料组合调整电介质电场分布提供了可行性。以同轴圆柱电极模型为例，在相同的电压等级下，提高外层材料介电常数可以降低最外层分压，从而可以抑制电晕的发生；但是降低外部分压降低会导致内部分压提高，使内部材料击穿风险提高，电老化速度加快，所以需要使用不同介电常数的电介质均化内部电场。本发明利用介电梯度材料介电参数非均匀分布的绝缘结构，调控绝缘材料的介电特性分布，以实现均化电场分布，达到缓解局部电场过高现象，同时采用高介电绝缘漆作为外层结构，降低外部电场强度，提高电场均化程度，获得具有高耐电强度同时还能够抑制电晕发生的漆包线绝缘结构。此外，本发明与现有技术相比还具有以下有益效果：

(1)本发明合成一种三维结构呈球形的超支化聚酯，作为低介电改性剂，通过调整超支化聚酯的含量，构建介电常数呈梯度分布的低介电绝缘漆，将该呈梯度分布的低介电绝缘漆作为漆包线的内层降低内部电场电压，有效解决了由于外侧包覆的非线性层带来的表面电位降低而导致内部电场升高的问题，实现了材料耐电压强度和防电晕性兼得的目的，继而保证了使用的安全性与稳定性。

(2)本发明通过KH550改性GO，作为高介电填料，合成高介电绝缘漆，将其作为漆包线的非线性层包覆在内层外侧，降低外部电场强度，相应降低了电晕产生的风险。

附图说明

图1为本发明提供的漆包线结构示意图；

图2为超支化聚酯以及超支化聚酯/环氧固化物的FT-IR图；

图3为超支化聚酯的¹³C-NMR谱图；

图4为不同超支化聚酯含量的低介电绝缘漆固化物在10-10⁷Hz频率下介电性能的对比图；

图5为不同超支化聚酯含量的低介电绝缘漆固化物的击穿场强；

图6为GO和KH550-GO的FT-IR图；

图7为GO和KH550-GO的XPS高分辨率C1s图；

图8为不同KH550-GO含量的高介电绝缘漆固化物在10-10⁷Hz频率下介电性能的对比图；

图9为不同KH550-GO含量的低介电绝缘漆固化物的击穿场强。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例提供的漆包线由内到外依次为金属芯线、内层、非线性层和空气域，内层为超支化聚酯/环氧绝缘漆层，非线性层为改性环氧树脂屏蔽漆层。

其中，金属芯线为铜芯，直径为1mm；空气域厚度为0.02mm。内层由5层超支化聚酯/环氧绝缘漆层叠加构成，每层厚度为0.02mm。5层超支化聚酯/环氧绝缘漆层由内到外含有的超支化聚酯质量依次为环氧树脂基体质量的7.5wt％、5wt％、2.5wt％、0wt％和10wt％。非线性层厚度为0.005mm。

上述漆包线的制备方法如下：

(1)超支化聚酯的合成：

以总质量1wt.％的对甲苯磺酸(PTSA)为催化剂，季戊四醇与二羟甲基丙酸按1:4的摩尔比加入三口瓶中，并加入总质量1wt％的对苯二酚，升温至135℃，保持2h，抽真空0.5h；然后将季戊四醇:正癸酸＝1:4的摩尔比将正癸酸和总质量1wt％的对甲苯磺酸加入三口瓶中，继续135℃反应3h，在0.08MPa下抽真空1h，将其酸值降低至20mgKOH/g以下，得到超支化聚酯，作为低介电改性剂。

对合成的超支化聚酯进行FT-IR表征，其结果如图2中HBP曲线所示。

对合成的超支化聚酯进行支化度表征，¹³C-NMR谱图如图3所示，由图3可知，“T”结构峰出现在49.76ppm附近，代表超支化聚酯未被封端的末端单元；“L”结构峰出现在48.71ppm附近，表明超支化聚酯末端有一半羟基被正癸酸接枝，另一半羟基未被接枝；“D”结构峰出现在46.65ppm附近，表示超支化聚酯末端的羟基全部被正癸酸接枝。将“L”结构峰面积定义为1，则“T”结构峰面积为0.11，“D”结构峰面积为0.7，因此超支化聚酯的支化度可以通过以下公式计算：

通过计算可知，DB_{超支化聚酯}＝0.45，这表明以季戊四醇与正癸酸按摩尔比1:4进行封端时，其末端绝大部分以“L”和“D”结构出现，合成了具有较高支化度的超支化聚酯。

(2)低介电漆的制备：

用二甲苯和正丁醇将固态环氧树脂E12溶解，然后加入聚氨酯改性环氧树脂E42，环氧E12与环氧E42质量比为4:1，再加入15wt％环氧E12的端羧基丁腈橡胶CTBN，90℃搅拌4h，获得环氧树脂基体。

将环氧树脂基体与不同含量的超支化聚酯(环氧树脂的0wt.％、2.5wt.％、5wt.％、7.5wt.％、10wt.％)充分混合，用DMF溶解固化剂双氰胺(环氧树脂的2.5wt.％)混入其中，充分搅拌，制备出一系列低介电绝缘漆。

将低介电绝缘漆放入真空烘箱里抽真空除泡1h，涂覆在铜片表面和铜导线表面，然后通过120℃保持1h、140℃保持1h、160℃保持1h，将其固化，得到待测试样。

对超支化聚酯/环氧固化物进行FT-IR表征，结果如图2所示，由图2可知，从超支化聚酯HBP的谱线中可以看到，属于-OH的3350cm^-1峰是基本消失的，同时在1380cm^-1处观察到烷基酸末端的甲基结构峰，这就证明正癸酸作为封端剂已经完全接枝到了超支化聚酯中，而纯环氧树脂和超支化聚酯/环氧固化物中的3350cm^-1是环氧树脂自带的-OH；1730cm^-1和1150cm^-1是C＝O的特征峰，1008cm^-1处的波峰是由C-O的振动引起的。由图中可以发现超支化聚酯/环氧固化物在位于908cm^-1附近的环氧基特征峰消失，说明环氧绝缘漆已经完全固化。

对上述得到的不同超支化聚酯含量的待测试样在10-10⁷Hz频率下进行介电性能表征，具体的，结果如图4所示，由图4可知，随着超支化聚酯掺杂量的增加，绝缘漆的介电常数先减小后增加，当超支化聚酯掺杂量为7.5wt％时，绝缘漆的介电常数最小，其在工频50Hz下为4.15。这是由于超支化聚酯呈现的球状三维结构，增加了绝缘漆的自由体积，从而导致单位体积内极性基团数量的减少，在宏观上就表现出介电常数下降的趋势。而随着超支化聚酯含量的增多，自由体积的增加逐渐趋于饱和状态，同时会引入未封端的极性基团，导致绝缘漆介电常数的升高。由上可知，不同含量的超支化聚酯降低绝缘漆介电常数的能力不同，因此将不同含量的超支化聚酯作为环氧树脂的介电调控助剂，可得到一系列介电常数不同的绝缘漆。另外随着频率的增加，所有绝缘漆的介电常数都是下降趋势，这是因为树脂内部的极性基团由于空间位阻以及分子链之间的相互作用，随着测试频率的增大，电偶极矩大的分子跟不上频率的变化，只有少量极性分子能够随着随电场变化，使介电常数保持下降。此外，绝缘漆的介电损耗随着超支化聚酯掺杂量的增加先减小后增加，并且在超支化聚酯的掺杂量在7.5wt％时，绝缘漆的介电损耗最小。由于超支化聚酯末端有大量的柔性链段，可以与环氧树脂链段进行物理缠绕，形成了互穿网络结构模型，限制了树脂体系中游离链段和自由链段的震动，导致部分振动抵消或者降低，从而使绝缘漆的介电损耗降低。而过量的超支化聚酯加入会使体系中柔性链段含量大大增加，使得单位体积中游离的自由链段增加，从而使绝缘漆介电损耗增加。

对上述得到的不同超支化聚酯含量的待测试样进行击穿强度测试，并进行击穿强度的weibull分布，结果如图5所示，由图5可知，超支化聚酯的添加量在7.5wt％以内，绝缘漆的击穿强度随超支化聚酯含量的增加而增加。当超支化聚酯含量为7.5wt％时，绝缘漆的特征击穿场强达到51.7kV·mm^-1，比纯环氧树脂漆提高了54.3％。这是由于超支化聚酯的加入，其较长的柔性链段与环氧树脂链段相互缠结，结构更加致密，限制了自由电子的移动；同时少量超支化聚酯的引入，由于其特殊的分子结构，能消除环氧树脂部分内部缺陷，这都会使绝缘漆整体击穿性能提高。但过量的超支化聚酯会阻碍环氧树脂的固化，降低了交联密度，同时大量的球型结构使环氧分子变得松散，难以形成密致结构，反而会引入新的缺陷，导致了击穿场强的降低。

(3)KH550改性GO的制备

将氧化GO加入无水乙醇中，搅拌均匀超声分散30min，滴加入KH550，继续超声30min，超声后将其80℃反应24h，最后用无水乙醇多次离心洗涤，烘干即为KH550-GO。

对GO、KH550改性GO进行FT-IR分析，结果如图6所示，由图可知KH550-GO曲线在1540cm^-1处出现了明显的-NH的弯曲振动吸收峰，证明了酰胺键的形成，2924cm^-1和2858cm^-1分别是来自硅烷偶联剂上的甲基与亚甲基的特征吸收峰，波数为1108cm^-1和1030cm^-1处的峰分别代表-Si-O-Si-和-Si-O-C的特征吸收峰，这些都说明KH550已经成功的接枝到GO表面。

利用XPS半定量分析KH550接枝GO的化学键变化，如图7所示，GO的谱图中结合能在284.6eV、286.6eV、288.4eV处存在3个突出峰，这分别代表未氧化碳骨架上的C-C和C＝C键、GO表面的末端羟基C-OH和C-O-C环氧环、GO末端羧基O-C＝O。KH550-GO中属于GO羟基和环氧基的286.6eV突出峰结合能基本未发生改变，但是峰高明显降低，峰宽变窄；另外，O-C＝O峰高的明显降低，同时在结合能285.6eV处出现新的C-N峰，这都表明KH550与GO表面的环氧基和羧基发生反应，成功接枝到GO上。

(4)高介电漆的制备

取KH550-GO(环氧树脂的0wt％、0.1wt％、0.2wt％、0.3wt％、0.4wt％、0.5wt％)加入到DMF中超声搅拌0.5h，然后加入上述环氧树脂基体中，用DMF溶解DICY(环氧树脂的2.5wt％)混入其中，充分搅拌，得到一系列高介电绝缘漆。

将高介电绝缘漆放入真空烘箱里抽真空除泡1h，涂覆在铜片表面和铜导线表面，然后通过120℃保持1h、140℃保持1h、160℃保持1h，将其固化，得到待测试样。

对上述得到的不同KH550-GO含量的待测试样在10-10⁷Hz频率下进行介电性能表征，结果如图8所示。在交流电场的作用下，影响石墨烯绝缘漆的介电常数的因素是界面极化和转向极化，其中界面极化主要作用在低频下，由图8可知，在低频下KH550-GO绝缘漆的介电常数与KH550-GO的掺杂量成正比，这是由于随着KH550-GO添加量的增加，其带来的极性基团增多，界面极化作用愈加明显，相对介电常数随之升高。同时添加石墨烯后，由于其片层结构在环氧树脂中均匀分散时能够形成一个个的微电容器，随着石墨烯添加量的增多，体系内形成的有效微电容数量增加，两相有效极化界面增多，进一步增加了介电常数。而当交变电场的频率升高后，电场频率太快，远大于电荷的变化，最大的影响因素界面极化的作用也就随之减小，所以同一添加量的绝缘漆会在高频区相对介电常数出现下降的情况。但由于其引入了新的极性基团，添加了GO的介电常数较未添加的仍然升高。另外，过量的GO表面相互吸引团聚，当加入到基体中时便会导致界面区域叠加，限制了转向极化，因此出现0.5wt％添加量的KH550-GO/EP绝缘漆比0.3wt％和0.4wt％的绝缘漆在高频下介电常数减小的现象。此外，KH550-GO/EP绝缘漆的介电损耗因子与KH550-GO的添加量成正比，随着KH550-GO的用量增加，与环氧树脂基体之间形成的界面越多，有效界面也就随着增多，界面极化所产生的界面损耗效果更加明显，同时这种界面极化损耗随频率的增加迅速下降；此外由于石墨烯是导电填料，当添加量增加时，GO间的距离会缩短，在交变电场的作用下会产生漏导电流，引起漏导损耗，进一步提高了介电损耗。

对上述得到的不同KH550-GO含量的待测试样进行击穿强度测试，并进行击穿强度的weibull分布，结果如图9所示，由图9可知，击穿电压随KH550-GO含量的增加先增加后减小，当KH550-GO添加量为0.3wt.％时，绝缘漆的特征击穿电压可达到41kV·mm-1，比纯环氧漆提高了22.4％。而含量进一步增大时，击穿场强开始出现明显下降，这是由于KH550-GO是具有较高长径比的片层结构，分散于环氧基体的KH550-GO与环氧相互接触，可以形成大量的微电容，造成低能电子被捕获，限制了部分电子在基体中的传导，导致击穿场强有所上升。但随着KH550-GO添加量的增加，GO片层结构开始相互接触，电子更容易在石墨烯片层间相互传递，导电通路逐渐形成，绝缘漆的击穿场强显而易见的下降。

(5)漆包线的制备

采用多道涂漆方式依次将超支化聚酯含量不同的超支化聚酯/环氧绝缘漆涂覆在金属芯线表面，其中超支化聚酯/环氧绝缘漆涂覆顺序为环氧树脂基体质量的7.5wt％、5wt％、2.5wt％、0wt％和10wt％，每层厚度为0.02mm，涂覆一层固化一层，固化条件为：120℃保持1h、140℃保持1h、160℃保持1h，得到内层；然后在内层将表面涂覆非线性层，厚度为0.005mm，使用KH550-GO添加量为0.4wt.％的高介电漆涂覆，涂覆完成后固化，固化条件为：120℃保持1h、140℃保持1h、160℃保持1h，得到非线性层。

实施例2：

本实施例与实施例1不同处为：(5)使用KH550-GO添加量为0.3wt.％的高介电漆制备漆包线。

使用Comsol Multiphysics仿真软件，通过将上述低介电绝缘漆组合成不同介电梯度结构，分析不同介电梯度结构对整体绝缘结构电场分布的影响，以及非线性层材料对电场的影响，对整体绝缘结构作场强分布，验证实施例1制备的低介电漆具有高耐电强度和防电晕性，结果如下：

(1)使用KGO绝缘漆作为非线性屏蔽外漆可显著下降外层电场，在同一厚度时电势拐点处电势随着KGO含量的增加(环氧树脂的0wt％、0.1wt％、0.2wt％、0.3wt％、0.4wt％)而降低，厚度为0.02mm时从纯绝缘漆时的270V分别下降到254V、213V、53V、52V，分别下降了6％、21％、80％、81％。场强分布中，场强下降程度亦随KGO含量的增加而增加，0.4wt.％KGO/环氧漆时效果最为明显，靠近空气侧的绝缘层表面场强小于空气击穿场强(3kV/mm)，比纯绝缘漆时的最外层表面场强降低了80.6％。

(2)在内层进一步构建介电梯度绝缘结构，靠近铜芯的最内层介电常数由5.6逐步降低到4.1后，所分担的场强反而从17.26kV·mm^-1降低到14.66kV·mm^-1，降低了15.1％。而靠近非线性层的内层场强从15.70kV·mm^-1提升到18.54kV·mm^-1。当进一步缩小相邻介质的介电常数后，内层中各层的最大场强和最低场强分别维持在16.7kV·mm^-1和16.4kV·mm^-1附近，相邻漆层的场强差降低到0.3kV·mm^-1左右，相邻漆层场强差的缩小表明电场强度分布得到了进一步均化。

综合可知，实施例1提供的漆包线结构是抑制电晕发生的可行手段。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims

1.一种高起晕电压漆包线，其特征在于，由内到外依次为金属芯线、内层和非线性层，内层为超支化聚酯/环氧绝缘漆层，非线性层为改性环氧树脂屏蔽漆层。

2.根据权利要求1所述的耐电晕漆包线，其特征在于，内层由5层超支化聚酯/环氧绝缘漆层叠加构成，每层厚度为0.02mm。

3.根据权利要求2所述的高起晕电压漆包线，其特征在于，相邻超支化聚酯/环氧绝缘漆层间超支化聚酯含量不同，5层超支化聚酯/环氧绝缘漆层由内到外含有的超支化聚酯质量依次为环氧树脂基体质量的7.5wt％、5wt％、2.5wt％、0wt％和10wt％。

4.根据权利要求2所述的高起晕电压漆包线，其特征在于，超支化聚酯/环氧绝缘漆层是由超支化聚酯、环氧树脂基体、CTBN、固化剂和溶剂构成绝缘漆液通过固化得到。

5.根据权利要求4所述的高起晕电压漆包线，其特征在于，环氧树脂基体包括环氧E12、环氧E42和CTBN，环氧E12和环氧E42的质量比为4:1，CTBN添加量为环氧E12的15wt％；固化剂为双氰胺，添加量为环氧树脂基体的2.5wt％。

6.根据权利要求1所述的高起晕电压漆包线，其特征在于，非线性层厚度为0.005mm，改性环氧树脂屏蔽漆层是由KH550-GO、环氧树脂基体、DICY和溶剂构成屏蔽漆液通过固化得到。

7.根据权利要求6所述的高起晕电压漆包线，其特征在于，KH550-GO为使用KH550改性的氧化GO。

8.根据权利要求6所述的高起晕电压漆包线，其特征在于，KH550-GO添加量为环氧树脂基体的0.3wt％或0.4wt％，DICY添加量为环氧树脂基体2.5wt％。

9.一种权利要求1所述的高起晕电压漆包线的制备方法，其特征在于，采用多道涂漆方式依次将超支化聚酯含量不同的超支化聚酯/环氧绝缘漆涂覆在金属芯线表面，涂覆一层固化一层，得到内层；然后在内层将表面涂覆非线性层。

10.一种权利要求1所述的高起晕电压漆包线的应用，其特征在于，用于驱动电机。