CN1260574A - 电设备线圈的绝缘结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种电设备线圈绝缘结构及其制造方法,该结构具有对插入在铁心槽中的线圈导体电绝缘的绝缘部分,其中使用热塑性绝缘材料来构成所述绝缘部分,并且所述热塑性绝缘材料被整体熔化,因此该绝缘结构甚至可使用在高温、高压、高湿度的环境中及包含辐射、化学物的气氛中,而无需用密封壳或类似件覆盖线圈。
Description
本发明涉及在高温或高压力环境下、或在具有高湿度或包含辐射、化学物等的气氛中，即在不同于正常环境的特殊环境条件下使用的电设备线圈的绝缘结构及其制造方法。具体地，本发明提供了一种使用在这种特殊环境下适用于电动机线圈的绝缘结构及其制造方法。
典型使用在特殊环境条件下的电设备包括密封电动机。通常用于电动机线圈的绝缘材料是一种有机材料，如环氧树脂，并当这种有机材料用在上述特殊环境时，在短期内将引起材料的显著降解，及该材料不能长时间地稳定使用。因此，在密封电动机中线圈的绝缘材料被密封层覆盖，以免绝缘材料直接与上述特殊环境的气氛相接触。
通常，在制造密封电动机定子时，定子线圈缠绕的定子铁心首先被插入及然后被固定在一个形成电动机座的圆柱体中。接着，在圆柱体的两端安装侧板或端板，侧板的外周部分被焊到圆柱体的两端。然后，将具有其直径相应于定子铁心内径的圆柱形的密封壳插入到定子铁心内，并从圆柱形的密封壳内部向定子铁心施加压力。因此，圆柱形密封壳通过其膨胀被装入定子铁心的侧板，然后，圆柱形密封壳的两端部分沿着侧板的内圆周部分焊上，侧板则以其外圆周被焊到及固定到圆柱体的两端。
因此，在上述被密封的电动机中，定子铁心的外圆周、两端及内圆周及绕在其上的定子线圈分别被机座、侧板及密封壳覆盖，并完全地对其外部隔离。可提供一种密封电动机的定子，其绝缘性能不会受到降低，否则，暴露在外界中将引起绝缘性能变差。
通用的普通电动机与密封电动机之间的大的区别在于：在密封电动机中，定子及转子之间的气隙加大，这因为密封电动机包括密封壳，因此，电动机的电特性变差，并且线圈产生的热的辐射传导降低。这因为密封电动机定子线圈的内、外圆周及两端被电动机机座、侧板及密封壳覆盖。
因为气隙磁阻远大于铁心磁阻，为补偿气隙的增加，必需增加电功率来补偿由磁阻增加引起的损耗，其结果是电动机尺寸不希望的增加。
此外，在密封电动机中，因为包括线圈的绝缘材料被机座、侧板及密封壳覆盖，线圈中产生的热仅通过铁心从机座表面散射，冷却效率显著变低。
作为对付措施，在线圈周围的空间中充注热传导效率极佳的树脂材料，以便有效地使线圈中产生的热传到机座尤其是，对于大尺寸或大容量的设备必需用这种技术。
在上述树脂注入方法中，通常的做法是竖起机座，在现在位于上方的侧板中开两个孔，将每个管连接到两孔中，通过一个管注入树脂及通过另一个管从内空间中抽气。更具体地，将注树脂的漏斗通过阀连接在一个管上，及将真空泵通过阀连接在另一管上。然后，真空泵工作，及阀打开，抽吸电动机机座、侧板及密封壳周围的内空间，并保持其真空状态。在此状态下，打开另一阀，填在漏斗中的树脂被导入到机座、侧板及密封壳周围的内空间，以使该空间填充树脂。
这里该树脂是一种热固性合成树脂、如环氧树脂，这种树脂经过由热引起的中间胶状状态从液态过渡到完全固化状态。在此情况下，在导致胶状或固化状态过程中产生的反应热引起局部温度升高，结果是体积膨胀，膨胀产生的应力作用在密封壳的内侧。此外，在冷却过程中由所谓固化抽缩或树脂抽缩产生的应力在完全固化后直接作用在密封壳材料上。
假定，例如将膨胀系数为9×10-6mm/mm℃外径为10mm的玻璃圆棒放置在内径为50mm的管内，并将杨氏模量为34000kg/cm2、抽缩百分率为1.1％及泊松比为0.49的树脂填充在玻璃棒及管之间的空间中，树脂在130℃上固化，然后冷却到20℃，计算出抽缩应力为216kg/cm2，它作用在玻璃圆棒上。
密封壳插在密封电动机的转子及定子之间，为了获得满意的电动机特性，定子和转子之间的气隙应尽可能小，因此，使用例如0.1mm至0.3mm的薄片作为密封壳材料。经计算发现，如果使用这种密封壳材料，在约1.5kg.f/cm2应力下密封壳将变形。
由上述可理解，从物理或机械观点密封壳应尽可能厚，相反地，从磁或电的观点则应尽可能薄。结果具有一个问题，如果定子及转子之间的气隙增大，磁阻也将增大，电动机本身的功率和尺寸必需增大，以对其补偿。
本发明的作出是为了解决上述问题，本发明的目的是，提供一种电设备线圈的绝缘结构，它甚至在上述特殊环境中也能使用，而无需用密封壳或类似件覆盖线圈的绝缘材料，及提供其制造方法。
为了解决上述问题，根据本发明的第一方面，提供了一种电设备线圈的绝缘结构，它具有对插入在铁心槽中的线圈导体电绝缘的绝缘部分，及其中使用热塑性绝缘材料来构成绝缘部分，并且热塑性绝缘材料被整体熔化，以构成绝缘结构。
根据本发明的第二方面，在根据第一方面的电设备线圈绝缘结构中，热塑性绝缘材料包括从聚四氟乙烯(PTFE)，全氟烷氧基树脂(PFA)，氟化乙丙烯共聚物(FEP)，乙烯四氟乙烯共聚物(ETFE)，及聚三氟氯乙烯共聚物(CTFE)组成的组中选择的单种材料或它们的组合材料。
根据本发明的第三方面，在根据第二方面的电线圈绝缘结构中，组合材料是由具有不同熔点的材料组合形成的，在该绝缘结构中，当组合材料中具有较低熔点的材料熔化时具有较高熔点的材料还未熔化。
根据本发明的第四方面，提供了一种电设备线圈的绝缘结构的制造方法，该绝缘结构具有对插入在铁心槽中的线圈导体电绝缘的绝缘部分，其中使用热塑性绝缘材料来构成绝缘部分，该制造方法包括：制造电设备线圈的工序，将电设备线圈插入到电设备铁心槽中的工序，及将插入到铁心槽的电设备线圈与铁心一起加热来整体熔化热塑性绝缘材料的工序。
根据本发明的第五方面，在根据第四方面的电设备线圈绝缘结构的制造方法中，热塑性绝缘材料是由具有不同熔点的热塑性绝缘材料组合形成的，在该加热工序中，当组合材料中具有较低熔点的材料熔化时具有较高熔点的材料还未熔化。
在根据第一至第三方面方面的每个发明中，由于热塑性绝缘材料被整体地熔化来形成绝缘部分，故甚至在导电液体中也能提供可保持电设备线圈的极佳绝缘特性绝缘结构，而无需使用密封壳或类似件。
在根据第二方面的发明中，由于热塑性绝缘材料包括从聚四氟乙烯(PTFE)，全氟烷氧基树脂(PFA)，氟化乙丙烯共聚物(FEP)，乙烯四氟乙烯共聚物(ETFE)，及聚三氟氯乙烯共聚物(CTFE)组成的组中选择的单种材料或它们的组合材料。故甚至在包含腐蚀气体如氨的气氛中也能保持电线圈的极佳绝缘特性。
在根据第四至第五方面方面的每个发明中，可以制造出具有上述极佳绝缘特性的电设备线圈的绝缘结构。
从以下结合附图的说明中，本发明的上述及其它目的、特征和优点将会更加被阐明，附图中以说明例的方式表示本发明的优选实施例。
图1表示设有本发明电设备线圈绝缘结构的高压电动机的模绕线圈结构例的截面图；
图2表示设有本发明电设备线圈绝缘结构的高压电动机的模绕线圈另一结构例的截面图；及
图3表示设有本发明电设备线圈绝缘结构的低压电动机的无规则绕制线圈结构例的截面图。
以下将参照附图来描述本发明的实施方案。
实施方案(1)
图1及2是各表示设有本发明电设备线圈绝缘结构的高压电动机的模绕线圈一结构例的截面图。在图1及2中，标记8表示设在定子铁心9中的铁心槽，在铁心槽8中设有使线圈导体电绝缘的绝缘部分。该绝缘部分包括：导线绝缘部分2，用于覆盖导体1的外围；位于该导线绝缘部分2及另一导线绝缘部分2之间的中间层绝缘部分3；防接地绝缘部分4，用于覆盖导线绝缘部分2及中间层绝缘部分3的外围；位于该防接地绝缘部分4及另一防接地绝缘部分4之间的相间绝缘部分5；及位于防接地绝缘部分4外围及铁心槽8内周面之间的槽绝缘部分6。
使用了热塑性材料作为导线绝缘部分2，中间层绝缘部分3，防接地绝缘部分4，相间绝缘部分5及槽绝缘部分6的材料，并且该热塑性材料被整体熔化以形成该绝缘结构。该热塑性材料包括从聚四氟乙烯(PTFE)，全氟烷氧基树脂(PFA)，氟化乙丙烯共聚物(FEP)，乙烯四氟乙烯共聚物(ETFE)，及聚三氟氯乙烯共聚物(CTFE)组成的组中选择的单种材料或它们的组合材料。下面描述制造包括导线绝缘部分2，中间层绝缘部分3，防接地绝缘部分4，相间绝缘部分5及槽绝缘部分6的的绝缘结构的一个例子。
为了形成在具有线圈材料横截面积为2cm×5cm的导体1的外围上的导线绝缘部分2，使用厚度为0.08mm的非燃性聚四氟乙烯(PTFE)带缠绕两次，其重叠部分具有1/2带宽的宽度，以形成特氟隆(Teflon)绝缘导线。该特氟隆绝缘导线被造成如图示具体形状的结构，以提供电动机的定子线圈。在形成定子线圈时导体1被切成具体长度，并在此情况下，为了防止PTFE带变松，对导体1的切割部分吹热风。以使PTFE带热熔，获得局部熔化和粘接。
为了在形成定子线圈的工序时形成中间层部分(一个导线绝缘部分2及另一导线绝缘部分2之间的部分)中的中间层绝缘部分3，将厚度为0.1mm的、经Teflon处理的玻璃布切成条并插入中间层部分内。然后，将具有厚度为0.08mm的PTFE带缠绕三次，其重叠部分具有2/3带宽的宽度，以形成定子线圈的防接地绝缘部分4。带的缠绕端部以和上述方法类似的方式暂时用热风熔化并粘接。至此，就形成了用PTEP带缠绕的定子线圈10。
另一方面，为了事先在定子铁心9的铁心槽8中形成槽绝缘部分6，将经Teflon处理的其厚度为0.18mm的玻璃布形成U形，以和铁心槽8的形状一致并插入到铁心槽8中。在铁心槽8中，接着插入绕有PTFE带的定子线圈10，并用槽楔7将定子线圈10，10固定在铁心槽8中。顺便地说，在将定子线圈10，10插入铁心槽8的工序中，将经Teflon处理的其厚度为0.18mm的玻璃布插入到每层定子线圈10的端部以形成相间绝缘部分5，使得每层的定子线圈10不会彼此直接接触。
如上所述地插入在定子铁心9的铁心槽8中的定子线圈10，10与定子铁心9一起被放在恒温室中以370℃加热5小时，然后，将恒温室的电源关断，使定子线圈在恒温室中逐渐冷却，以完成定子组件。通过在上述恒温室中以370℃使定子线圈10，10与定子铁心9一起加热，作为导线绝缘部分2及防接地绝缘部分4缠绕的PTFE带，和作为中间层绝缘部分3，相间绝缘部分5及槽绝缘部分6插入的经Teflon处理的玻璃布被整体地熔化并形成对导体1电绝缘的绝缘结构。
虽然，将如上形成的设有定子线圈10，10的定子铁心(固定组件)浸在80℃的热水箱的热水中，并在导体1及热水之间施加3000V的AC电压，及对通过绝缘材料的电流的变化进行了两星期的观察，未发现能构成显著区别的变化。
将具有上述绝缘结构的模型线圈与包含1000ppm水的绝缘油一起放置在一个压力容器中，压力容器被放置在300℃的恒温箱中，对压力容器施加80kg.f/cm2的压力，并将此状态保持两星期。虽然甚至当放置在压力容器中，在定子线圈10的表面稍有退色，但未发现定子线圈10绝缘电阻的显著改变。
如上所述，使用PTFE带作为导线绝缘部分2及防接地绝缘部分4以形成Teflon绝缘，使用Teflon处理的玻璃布作为中间层绝缘部分3，相间绝缘部分5及槽绝缘部分6，及这些绝缘部分被加热和被整体地熔化并获得该绝缘结构。因为Teflon是化学稳定的，甚至在包含氨气的腐蚀气体气氛中在绝缘性能上也看不到改变。
PTFE热塑性绝缘带被绕在导体1上形成了线圈，但在形成线圈时带中的应力会随着带偏离其绕制位置而变弱，在定子线圈10形成后带中的大部分剩余应力由于带的热熔而释放，因此它们彼此紧密地接触。因此，由于蠕变等引起的带变差会被消除。
在上述实施例中描述了使用PTFE带的例子，但当使用从全氟烷氧基树脂(PFA)，氟化乙丙烯共聚物(FEP)，乙烯四氟乙烯共聚物(ETFE)，及聚三氟氯乙烯共聚物(CTFE)组成的组中选择的单种材料或包括PTFE在内的它们的组合材料时也能获得类似结果。
实施方案(2)
图3表示设有本发明电设备线圈绝缘结构的低电压电动机的无规则绕制线圈结构例的截面图。标记8表示设在定子铁心9中的铁心槽，及在铁心槽8中设有使定子线圈电绝缘的绝缘部分。该绝缘部分包括：用于覆盖导体1外围的导体线缘部分2相间绝缘部分5及槽绝缘部分6。
使用了热塑性材料形成导线绝缘部分2，相间绝缘部分5及槽绝缘部分6，并且该热塑性材料被整体熔化。该热塑性材料包括从聚四氟乙烯(PTFE)，全氟烷氧基树脂(PFA)，氟化乙丙烯共聚物(FEP)，乙烯四氟乙烯共聚物(ETFE)，及聚三氟氯乙烯共聚物(CTFE)组成的组中选择的单种材料或它们的组合材料。下面描述制造包括导线绝缘部分2，相间绝缘部分5及槽绝缘部分6的的绝缘结构的一个例子。
为了形成在其直径为1.2mm的铝导线1上形成导线绝缘部分2，使用厚度为0.02mm的PTFE带缠绕在铝导线上一次，其重叠部分具有2/3带宽的宽度，以形成Teflon绝缘导线。该特氟隆绝缘导线被集聚并形成特定的椭圆形状，造成随机布置的定子线圈10。这些定子线圈10被相继地插入到其中已形成槽绝缘部分6的定子铁心9的铁心槽8中，并以与上述实施例1相似的方式用槽楔7固定。由于不同形状的定子线圈10，10被插在一个铁心槽8的上部及下部，在上部分及下部分定子线圈10，10之间设置了相间绝缘部分5，因此，上及下定子线圈10，10不会彼此形成直接的接触。相间绝缘部分5的材料与上述实施方案1中使用的材料相同。
插入在定子铁心9中的定子线圈10，10与定子铁心9一起被放在恒温室中以370℃加热3小时，然后，将恒温室的电源关断，使定子线圈在恒温室中逐渐冷却，以完成包括定子线圈的定子组件。通过在上述恒温室中以370℃使定子线圈10，10与定子铁心9一起加热，导线绝缘部分2，相间绝缘部分5及槽绝缘部分6被整体地熔化并形成对定子线圈10，10的导体电绝缘的绝缘结构。
上述定子与分开制造的转子相组合构成一个电动机。将80℃的热水注入该电动机内部，并当电动机工作时使热水在电动机中循环。该电动机能以类似于在大气中工作的方式正常地工作。在工作前或后未发现绝缘性能的变化。
接着，将铵注入到电动机内，并使其工作在铵气氛中。通过铵的强迫循环，定子线圈在不同时间有时与液态铵及有时与气态铵相接触，但在工作前或后未发现绝缘性能的变化。
在上述实施例中，使用了PTFE带，但当使用从全氟烷氧基树脂(PFA)，氟化乙丙烯共聚物(FEP)，乙烯四氟乙烯共聚物(ETFE)，及聚三氟氯乙烯共聚物(CTFE)组成的组中选择的单种材料或包括PTFE在内的它们的组合材料时也能获得类似结果。
在上述实施例中，描述了用热塑性绝缘材料带缠绕并整体或全面地熔化来形成绝缘结构的例子，但是整体熔化不总是必需的，在某些情况下，绝缘结构可使用热塑性绝缘材料带缠绕及部分熔化来形成。
如上所述，根据本发明，可以获得以下极佳的优点：
在本发明中，因为热塑性绝缘材料被整体地熔化来形成绝缘部分，就能够获得一种甚至在导电液体中亦可以保持电设备线圈极佳绝缘性能的绝缘结构。
当该热塑性材料包括从聚四氟乙烯(PTFE)，全氟烷氧基树脂(PFA)，氟化乙丙烯共聚物(FEP)，乙烯四氟乙烯共聚物(ETFE)，及聚三氟氯乙烯共聚物(CTFE)组成的组中选择的单种材料或它们的组合材料时，甚至在包含腐蚀性气体如氨气的气氛中也能保持电设备线圈的优异绝缘性能。
根据本发明的方法，可以制造具有上述优异绝缘性能的电设备线圈的绝缘结构。
此外，由于在转子及定子之间不插入密封壳，它们之间的气隙可作得尽可能的小，因此，可以减小磁阻及功耗。
另外，在本发明中，因为使用了热塑性绝缘材料来形成绝缘部分，甚至在其被加热熔化时也不会对定子施加显著的力。
再者，在本发明的方法中，因为不需要真空泵及阀，绝缘材料的制造是价廉的。
Claims (7)
1.一种电设备线圈绝缘结构，它具有对插入在铁心槽中的线圈导体电绝缘的绝缘部分，其中使用热塑性绝缘材料来构成绝缘部分，并且所述热塑性绝缘材料被整体熔化，以构成所述绝缘结构。
2.根据权利要求1的电设备线圈绝缘结构，其中所述热塑性绝缘材料包括从聚四氟乙烯(PTFE)，全氟烷氧基树脂(PFA)，氟化乙丙烯共聚物(FEP)，乙烯四氟乙烯共聚物(ETFE)，及聚三氟氯乙烯共聚物(CTFE)组成的组中选择的单种材料或它们的组合材料。
3.根据权利要求2的电设备线圈绝缘结构，其中所述组合材料包括不同熔点的材料，在所述绝缘结构中，当所述组合材料中具有较低熔点的材料熔化时具有较高熔点的材料还未熔化。
4.根据权利要求1至3中任一项的电设备线圈绝缘结构，其中插在所述铁心槽中的所述线圈包括具有不同相的定子线圈，及所述绝缘部分包括：各覆盖一个导体外围构成所述定子铁心的导线绝缘部分，位于所述定子线圈之间的相间绝缘部分，及位于所述铁心槽内周面上的槽绝缘部分。
5.根据权利要求4的电设备线圈绝缘结构，其中所述绝缘部分还包括：各位于一个所述导线绝缘部分及另一所述导线绝缘部分之间的中间层绝缘部分，和覆盖位于一个所述定子线圈中的所述导线绝缘部分及中间层绝缘部分的防接地绝缘部分。
6.一种电设备线圈的绝缘结构的制造方法，该绝缘结构具有对插入在铁心槽中的线圈导体电绝缘的绝缘部分，该制造方法包括：使用热塑性绝缘材料来制造电设备线圈以构成所述绝缘部分的工序；将所述设有热塑性绝缘材料的电设备线圈插入到所述电设备铁心槽中的工序：及将插入到所述铁心槽的电设备线圈与铁心一起加热来整体熔化所述热塑性绝缘材料的工序。
7.根据权利要求4的电设备线圈绝缘结构的制造方法，其中：所述热塑性绝缘材料是由具有不同熔点的热塑性绝缘材料组合形成的，及在所述加热工序中，当其中具有较低熔点的材料熔化时具有较高熔点的材料还未熔化。
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