CN117438140A - 绝缘电线及其制备方法、线圈、电子/电气设备 - Google Patents

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CN117438140A CN202210823972.5A CN202210823972A CN117438140A CN 117438140 A CN117438140 A CN 117438140A CN 202210823972 A CN202210823972 A CN 202210823972A CN 117438140 A CN117438140 A CN 117438140A
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叶惠敏
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Abstract

本发明公开了一种绝缘电线及其制备方法、线圈、电子/电气设备，该绝缘电线包括：导体编织线，其包括由单体导线编织形成的单层编织结构或多层编织结构；以及依次设置于导体编织线外侧的粘合层和PEEK绝缘层。通过单体导线编织形成的导体编织线，其具有单层编织结构或多层编织结构，并在导体编织线的外侧通过粘合层粘接PEEK绝缘层，相较普通利兹线，在满足耐高热耐高压的同时，还保持了高频低损耗的耐受性，可有效降低绕组的趋肤效应和低损耗；另外导体编织线更柔软和易弯曲，使得制备导体编织线的截面积有更大灵活性，可实现在高频高压场合的应用,因此本发明实施例提供的绝缘电线具备高槽满率、低损耗、高耐温、高耐压等综合优势。

Description

绝缘电线及其制备方法、线圈、电子/电气设备
技术领域
本发明涉及电线制造的技术领域，特别涉及一种绝缘电线及其制备方法、线圈、电子/电气设备。
背景技术
随着能源能耗危机的日益严重以及节能减排的重视，高效率、高功率密度的新能源纯电动已成为发展热潮，受到全球主流汽车行业的关注，并投入大量研发。现实应用场景中，高速化、高功率、高压冲击是驱动电机的发展趋势，在满足耐高温耐高压的同时，提高驱动电机效率和功率密度，降低损耗也成为必然考虑。而在高频降低交流铜损耗的应用中，利兹线存在一定优势，但其主要应用在小功率高频领域，大功率电机上应用很少，并且其固有的低槽满率对驱动电机性能造成的低速时散热、噪声等影响让其表现受限。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是提供一种绝缘电线及其制备方法、线圈、电子/电气设备，在满足耐高热耐高压的同时，尤其保持了高频低损耗的耐受性，可有效降低绕组的趋肤效应和低损耗，同时导体编织线更柔软和易弯曲，使得制备导体编织线的截面积有更大灵活性，实现在高频高压应用场合。
(二)技术方案
本发明的第一方面提供了一种绝缘电线，包括：导体编织线，其包括由单体导线编织形成的单层编织结构或多层编织结构；以及依次设置于导体编织线外侧的粘合层和PEEK绝缘层。
进一步地，单体导线包括裸铜线或镀锡铜线；或者，裸铜线或镀锡铜线的外侧设有绝缘涂层。
进一步地，单体导线直径为0.05-0.65mm；每股导线包括8-12根单体导线；导体编织线的编织股数为20股以上；其中，导体编织线由每股导线相互交叉编织形成单层编织结构或多层编织结构；导体编织线由多股导线并排且相互交叉编织形成单层编织结构或多层编织结构。
进一步地，导体编织线的宽度范围为1.00-6.50mm；导体编织线的厚度范围为0.50-1.00mm。
进一步地，导体编织线的宽度范围为1.50-5.50mm；导体编织线的厚度范围为0.60-0.80mm。
进一步地，绝缘涂层的材料包括聚氨酯、聚酯亚胺和聚酰胺酰亚胺；绝缘涂层的耐温等级为155级以上。
进一步地，粘合层由粘合剂固化形成；按重量份数计，粘合剂包括有机溶剂50-80份、聚酰胺酰亚胺树脂15-25份、耐电晕粉末2-10份以及PEEK粉末2-5份。
进一步地，所述PEEK粉末的粒径为50-100nm；所述耐电晕粉末的粒径为10-30nm；所述耐电晕粉末包含纳米SiO2微粉颗粒。
进一步地，所述粘合层厚度为5μm-30μm，所述PEEK绝缘层的厚度为10μm-1000μm。
本发明的第二方面提供了一种绝缘电线的制备方法，包括：将单体导线编织形成导体编织线；其中，导体编织线具有单层编织结构或多层编织结构；在导体编织线外侧涂覆粘合剂，形成包覆导体编织线的粘合层，得到芯线；将PEEK树脂材料在芯线的粘合层外侧挤出形成PEEK绝缘层，得到绝缘电线。
本发明的第三方面提供了一种线圈，包含所述的绝缘电线。
本发明的第四方面提供了一种电子/电气设备，包含所述的线圈。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本发明实施例通过单体导线编织形成的导体编织线，其具有单层编织结构或多层编织结构，并在导体编织线的外侧通过粘合层粘接PEEK绝缘层，相较普通利兹线，在满足耐高热耐高压的同时，还保持了高频低损耗的耐受性，可有效降低绕组的趋肤效应和低损耗；另外导体编织线更柔软和易弯曲，使得制备导体编织线的截面积有更大灵活性，可实现在高频高压场合的应用,因此本发明实施例提供的绝缘电线具备高槽满率、低损耗、高耐温、高耐压等综合优势；尤其可适用于高频电机、发电机、变压器和逆变器绕组，在空间有限的绕组中，具有出色的填充系数和铜导体密度。
附图说明
图1是根据本发明第一实施方式的绝缘电线的结构示意图；
图2是根据本发明第二实施方式的绝缘电线的结构示意图；
图3是根据本发明第三实施方式的导体编织线的结构示意图；
图4是本发明实施例和对比例的绝缘电线进行U型弯曲测试的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
为率先实现更高扭矩密度，新能源车用电机绕组由传统的圆形绕组逐步被扁平线绕组替代。在扁平绝缘电线的应用研究中，扁平绝缘电线体现出良好的槽满率、驱动电机的功率密度等优势。但在高频条件下其扁平结构趋肤效应强，交流铜损耗增大，限制功率密度的提升，在高频应用发展趋势下，存在一定限制。现实应用场景中，高速化、高功率、高压冲击是驱动电机的发展趋势，在满足耐高温耐高压的同时，提高驱动电机效率和功率密度，降低损耗也成为必然考虑。而在高频降低交流铜损耗的应用中，利兹线存在一定优势，但其主要应用在小功率高频领域，大功率电机上应用很少，并且其固有的低槽满率对驱动电机性能造成的低速时散热、噪声等影响让其表现受限。
为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种绝缘电线，如图1-图3所示，包括：导体编织线11，其包括由单体导线编织形成的单层编织结构或多层编织结构；以及依次设置于导体编织线11外侧的粘合层12和PEEK绝缘层13。PEEK绝缘层13的材料可以包括聚醚醚酮(PEEK)树脂材料或PEEK改性材料；粘合剂具体地可包括有机溶剂、聚酰胺酰亚胺树脂以及PEEK粉末，使粘合层12位于导体编织线11和PEEK绝缘层13之间具有较好的粘结性；或者，粘合层12可由粘合剂固化形成，粘合剂具体地可包括有机溶剂、聚酰胺酰亚胺树脂、耐电晕粉末以及PEEK粉末，增加耐电晕粉末使粘合层12进一步地具有耐电晕作用；导体编织线11可设为扁平状，通过单体导线编织形成的导体编织线11，其具有单层编织结构或多层编织结构，并在导体编织线11的外侧通过粘合层12粘接PEEK绝缘层13，相较普通利兹线，在满足耐高热耐高压的同时，还保持了高频低损耗的耐受性，可有效降低绕组的趋肤效应和低损耗；虽然利兹线可以避免高频下的涡流损耗，在高频应用时存在一定优势，但其截面积相对扁平状的导体编织线，面对大功率大电流，容易产生过载，故利兹线在高频大功率电机上应用较少。扁平状的编织结构结合了利兹线和扁线的优势，在高频和功率型电机的应用上，导体编织线可以在相同的体积下容纳更多的铜导线，槽满率提升，提升填铜量，功率更高，功率密度更大；另外导体编织线11更柔软和易弯曲，使得制备导体编织线11的截面积有更大灵活性，可实现在高频高压场合的应用,因此本发明实施例提供的绝缘电线具备高槽满率、低损耗、高耐温、高耐压等综合优势；尤其可适用于高频电机、发电机、变压器和逆变器绕组，在空间有限的绕组中，具有出色的填充系数和铜导体密度。
一些实施例中，单体导线包括裸铜线或镀锡铜线；或者，裸铜线或镀锡铜线的外侧设有绝缘涂层。
示例性实施例中，绝缘涂层的材料包括聚氨酯、聚酯亚胺和聚酰胺酰亚胺；绝缘涂层的耐温等级为155级以上。
一些实施例中，单体导线直径为0.05-0.65mm；每股导线包括8-12根单体导线；导体编织线的编织股数为20股导线以上；其中，导体编织线由每股导线相互交叉编织形成单层编织结构或多层编织结构；导体编织线由多股导线并排且相互交叉编织形成单层编织结构或多层编织结构。多层编织结构例如可以是双层编织结构或三层编织结构。编织节距的范围可设为10-45mm，编织节距可依据不同的单体导线直径设定，生产中通过调整可换齿轮的齿数，来满足编织节距的要求；编织角的范围可设为25-60°，优选采用30-45°。
一些实施例中，导体编织线的宽度范围为1.00-6.50mm；导体编织线的厚度范围为0.50-1.00mm。如图1所示，沿X向为导体编织线的宽度方向，沿Y向为导体编织线的厚度方向,沿Z向为导体编织线的编织方向。
一些实施例中，导体编织线的宽度范围为1.50-5.50mm；导体编织线的厚度范围为0.60-0.80mm。
一些实施例中，粘合层由粘合剂固化形成；按重量份数计，粘合剂包括有机溶剂50-80份、聚酰胺酰亚胺树脂15-25份、耐电晕粉末2-10份以及PEEK粉末2-5份。选择聚酰胺酰亚胺树脂为玻璃化转变温度为200℃以上300℃以下的非晶性树脂。若玻璃化转变温度过低，在耐热性试验中电学特性有可能降低。另一方面，若玻璃化转变温度过高，在焊接时有可能未完全熔融而残存，从而焊接性变差。弹性模量为100MPa-1000MPa，优选为300-800MPa，在此范围中兼具较好的机械强度和弯曲性能。
一些实施例中，所述PEEK粉末的粒径为50-100nm；所述耐电晕粉末的粒径为10-30nm；所述耐电晕粉末包含纳米SiO2微粉颗粒。纳米SiO2微粉颗粒分散电晕产生的电荷，匀化局部电场和分散热量，从而在一定程度上防止局部放电的发生，起到提高绝缘材料耐电晕性能的作用。
一些实施例中，粘合层12的厚度为5μm以上30μm以下；进一步优选为10μm以上20μm以下。若粘合层12的厚度过薄，其对于导体编织线11和PEEK绝缘层13的粘结性不足。若粘合层12的厚度过厚，则在对电线进行弯曲加工时会难以弯曲。
一些实施例中，基于绝缘性以及挤出性能的考虑，PEEK树脂材料玻璃化转变温度在320-360℃，具有良好的熔融挤出效果，具有平衡的机械性能和可加工性能，可以通过调控分子量，以及对树脂体系进行改性，得到满足不同条件的玻璃化转变温度和熔融指数的PEEK绝缘层。PEEK绝缘层厚度在10-1000μm，优选在25-750μm之间，特别优选在30-500μm之间，尤其是在50-250μm之间。
示例性实施例中，粘合剂还包含分散剂；分散剂在所述粘合剂中的重量百分比为1-3％；分散剂选自十六烷基三甲基溴化铵、烷基酚环氧乙烷缩合物乳化剂、十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠中的一种或几种；有机溶剂包括含氮极性溶剂、醚基溶剂、二甲苯或其混合，其中所述含氮极性溶剂具体选自N-甲基-2-吡咯烷酮、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、四甲基脲以及二甲基乙烯脲中的一种或二种以上的溶剂，所述醚基溶剂具体选自二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、二乙二醇以及三乙二醇中的一种或二种以上的溶剂。
本发明的第二方面提供了一种绝缘电线的制备方法，具体地包括以下步骤：
步骤S10,将单体导线编织形成导体编织线；其中，导体编织线具有单层编织结构或多层编织结构；
步骤S20,在导体编织线外侧涂覆粘合剂，形成包覆导体编织线的粘合层，得到芯线；
步骤S30,将PEEK树脂材料在芯线的粘合层外侧挤出形成PEEK绝缘层，得到绝缘电线。
示例性实施例中，步骤S10,将多根单体导线组合成一股导线，通过编织机将每股导线相互交叉编织形成导体编织线；其中，导体编织线具有单层编织结构或双层编织结构，且每股导线紧密相接，单体导线柔软，彼此之间易于填充，因此导体编织线11不易形成间隙；或者，导体编织线11可由多股导线并排且相互交叉编织形成；制备形成的导体编织线可设为扁平状。
示例性实施例中，步骤S20,使用漆包机在导体编织线外侧涂布粘合剂，涂布过程中，粘合剂中的有机溶剂挥发，粘合剂经烘烤可形成粘合层12；因此在进入螺杆挤出机机头前，对涂覆粘合剂的导体编织线进行烘烤，烘烤预热温度在400℃以上，在预热过程中粘合剂中的有机溶剂进一步挥发，得到芯线。
示例性实施例中，步骤30，将PEEK树脂材料加热达到熔融状态，然后通过螺杆挤出机螺杆的转动，使PEEK树脂材料在料筒内均匀流动，将预热后的芯线放置于螺杆挤出机机头前，机头处通过不同规格模具使PEEK树脂材料在芯线表面均匀的进行包裹，冷却结晶后形成PEEK绝缘层13。
一些实施例中，步骤20中，粘合剂通过如下方式制备得到；粘合剂制作过程包括：将所述聚酰胺酰亚胺树脂加入到所述有机溶剂中，加热搅拌溶解后，加入所述PEEK粉末，充分搅拌溶解后，再加入所述纳米SiO2微粉颗粒，得到粘合剂。调整有机溶剂和耐电晕粉末的份数，以控制耐电晕纳米SiO2微粉颗粒对粘合剂的粘度和绝缘皮膜的柔韧性存在的影响。
一些实施例中，步骤30中是在380-410℃的温度下熔融挤出成型形成PEEK绝缘层13，在该挤出过程中，熔融的PEEK树脂材料能够与粘合层12中的PEEK纳米粉末材料之间接触融合，从而粘合层12与PEEK绝缘层13之间形成结合。
一些实施例中，粘合剂的固含量为20-40％，30℃温度下的粘度为2500-3500cp，优选为3000cp。
本发明的第三方面提供了一种线圈，包含所述的绝缘电线。
本发明的第四方面提供了一种电子/电气设备，包含了所述的线圈。
下面通过具体实施例来阐明本发明的实施过程，并充分评价实施效果。
实施例1
单体导线直径为0.10mm，每股导线含有10根单体导线，共32股导线，经编织形成导体编织线，其具有双层编织结构；导体编织线的宽度为5.00mm，厚度为1.00mm；单体导线选用裸铜线。
制备粘合剂：按重量份数计，将15份改性聚酰胺酰亚胺树脂溶于50份-甲基吡咯烷酮(NMP)和二甲苯的混合液(V/V：1/1)中，加热搅拌溶解后，加入5份PEEK粉末，平均粒径为60nm；充分搅拌溶解后，加入25份-甲基吡咯烷酮和二甲苯的混合液进行调整固含和粘度。
将粘合剂使用漆包机在扁平型的导体编织线上进行涂布，涂布过程中，粘合剂中的有机溶剂挥发，烘烤粘合剂固化形成粘合层，粘合层的厚度为15μm，得到芯线，然后将芯线预热到400℃。
在PEEK树脂材料中加入添加剂以对PEEK树脂材料进行耐电晕改性，将改性后的PEEK树脂材料加入螺杆挤出机料筒中，并加热达到380℃的熔融状态，然后通过螺杆挤出机螺杆的转动，使改性后的PEEK树脂材料在料筒内均匀流动，将预热后的芯线放置于螺杆挤出机机头前，机头处通过模具使改性后PEEK树脂材料在芯线表面均匀的进行包裹，冷却结晶后形成厚度为50μm的PEEK绝缘层13，得到扁平型的绝缘电线。
实施例2
与实施例1相同之处在此不再赘述，不同之处在于：PEEK绝缘层的厚度为100μm，PEEK绝缘层与粘合层的总厚度为115μm。
实施例3
与实施例1相同之处在此不再赘述，不同之处在于：PEEK绝缘层的厚度为150μm，PEEK绝缘层与粘合层的总厚度为165μm。
对比例1
导体为无氧铜制作的单根导体裸线，导体裸线为扁平的多边形柱体，选择扁平的导体裸线厚度为1.00mm，宽度为5.00mm；通过涂布烘烤的方法在铜导体裸线的外侧包覆15μm厚度的粘合层，以及通过熔融挤出的方法在粘合层的外侧包覆100μm厚度的PEEK树脂绝缘层，得到对比线材；对比线材的PEEK树脂绝缘层与粘合层的总厚度为115μm。
对本发明实施例1-3以及对比例1中的绝缘电线进行以下测试：
(1)附着性测试：绝缘电线300mm作为试样，将试样放置于两夹具之间，试样与夹具放置在同一轴线上，夹住两端，以300mm/min的速率拉伸20％，检查试样漆膜失去附着性的长度。本测试方法中，漆膜失去附着性的长度小于2mm则代表漆膜的附着性优异。
(2)U型弯曲测试：如图4所示，取两条相同的长500mm直线的绝缘电线，将该两条绝缘电线分别绕着一个抛光的试验轴芯弯曲180±2°，一条进行平绕(轴芯直径＝线厚2倍)，另一条进行立绕(轴芯直径＝线宽2倍)。图4中，“B”和“D”分别代表绝缘电线的线宽和线厚。本试验中，平绕和立绕后，将产品表面光洁无开裂的情况记为“合格”；将表面开裂的情况记为“不合格”。
(3)绝缘击穿电压：将绝缘电线一端除去绝缘，在直径φ25mm圆棒上宽边弯曲后，放入至少有5mm厚的金属钢珠容器中，试样端头应伸出足够长度避免闪络。在导体和金属钢珠之间施加试验电压。以升压速度500V/秒、漏电流5mA进行升压。测试5次并将平均值作为绝缘击穿电压评价值。评价基准如下：
A+：10kV以上；
A：7kV以上且小于10kV；
B：5kV以上且小于7kV；
C：小于5kV；
(4)耐热测试：将绝缘电线在240℃放置15min后，依上述绝缘击穿电压测试，要求满足对应上述基准测试值的50％以上。
本发明实施例中与对比例中绝缘电线通过实验测试得到的各项性能数据如表1所示：
表1绝缘电线的测试数据
由表1中的数据不难得到，本发明实施例的绝缘电线，具有良好的加工性能，且粘合层和绝缘层间粘着力优异，可满足耐高热和耐高压。通过在导体编织线11的外侧通过粘合层12粘接PEEK绝缘层13，相较普通利兹线，在满足耐高热耐高压的同时，尤其保持了高频低损耗的耐受性，有效降低绕组的趋肤效应和低损耗，同时导体编织线11更柔软和易弯曲，使得制备导体编织线11的截面积有更大灵活性，实现在高频高压应用场合,绝缘电线具备高槽满率、低损耗、高耐温、高耐压等综合优势；尤其可适用于高频电机、发电机、变压器和逆变器绕组，在空间有限的绕组中，具有出色的填充系数和铜导体密度。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (12)

1.一种绝缘电线，其特征在于，包括：
导体编织线，其包括由单体导线编织形成的单层编织结构或多层编织结构；以及
依次设置于导体编织线外侧的粘合层和PEEK绝缘层。
2.根据权利要求1所述的绝缘电线，其特征在于，
单体导线包括裸铜线或镀锡铜线；或者，
裸铜线或镀锡铜线的外侧设有绝缘涂层。
3.根据权利要求1所述的绝缘电线，其特征在于，
单体导线直径为0.05-0.65mm；
每股导线包括8-12根单体导线；
导体编织线的编织股数为20股以上；其中，导体编织线由每股导线相互交叉编织形成单层编织结构或多层编织结构；或者，导体编织线由多股导线并排且相互交叉编织形成单层编织结构或多层编织结构。
4.根据权利要求1所述的绝缘电线，其特征在于，
导体编织线的宽度范围为1.00-6.50mm；
导体编织线的厚度范围为0.50-1.00mm。
5.根据权利要求4所述的绝缘电线，其特征在于，
导体编织线的宽度范围为1.50-5.50mm；
导体编织线的厚度范围为0.60-0.80mm。
6.根据权利要求2所述的绝缘电线，其特征在于，
绝缘涂层的材料包括聚氨酯、聚酯亚胺和聚酰胺酰亚胺；
绝缘涂层的耐温等级为155级以上。
7.根据权利要求1所述的绝缘电线，其特征在于，
粘合层由粘合剂固化形成；按重量份数计，粘合剂包括有机溶剂50-80份、聚酰胺酰亚胺树脂15-25份、耐电晕粉末2-10份以及PEEK粉末2-5份。
8.根据权利要求7所述的绝缘电线，其特征在于，所述PEEK粉末的粒径为50-100nm；
所述耐电晕粉末的粒径为10-30nm；
所述耐电晕粉末包含纳米SiO2微粉颗粒。
9.根据权利要求7所述的绝缘电线，其特征在于，所述粘合层厚度为5μm-30μm，所述PEEK绝缘层的厚度为10μm-1000μm。
10.一种绝缘电线的制备方法，其特征在于，包括：
将单体导线编织形成导体编织线；其中，导体编织线具有单层编织结构或多层编织结构；
在导体编织线外侧涂覆粘合剂，形成包覆导体编织线的粘合层，得到芯线；
将PEEK树脂材料在芯线的粘合层外侧挤出形成PEEK绝缘层，得到绝缘电线。
11.一种线圈，其特征在于，包含如权利要求1-9任一项所述的绝缘电线。
12.一种电子/电气设备，其特征在于，包含如权利要求11所述的线圈。
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