CN1324137A - 线圈的绝缘 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种方法,用于制造线圈原型、特别是定子线圈的主绝缘,其中所述的线圈原型具有一个矩形的断面,并且所述主绝缘是由弹性体构成。

Description

线圈的绝缘

本发明涉及一种用于将旋转电机定子线圈绝缘的方法，这里旋转电机特别是指直流电机和交流电机。

一般来说，这种电机均有一个定子和一个转子，用于将机械能转换成电能(发电机)，或者反之将电能转换成机械能(电动机)，当电机进入运行状态后，定子的导体中产生电压，所以对定子的导体应进行绝缘，不允许在定子的导体之间发生短路。

旋转电机的定子线圈可以有各种各样的结构，其中之一是将多个相互绝缘的单一导体捆成线束，如此构成的导体束一般称为导线棒，它具有所谓的主绝缘。在制造定子线圈时，将多个导线棒的端面与端面相互结合，这种结合例如可以通过一个金属板实现，在金属板上，将第一导线棒的各自绝缘的单一导线和第二导线棒的各自绝缘的单一导线相互连接，因此，在所述金属平板区域内的导线棒的各个单一导体之间是不被绝缘的。

要将各个单一导体捆扎成导线棒形式，需将一个较长的被绝缘的单一导体在一个平面上缠绕成一个橢圆形线圈，称为线圈原型或骨架。在下面的过程中，所谓的支撑将所述的线圈原型或骨架转变为其成品形式，并且安置在电机的定子中。

在两个如上所述的制造方法中，单一导体既可以是圆形的，也可以是矩形的，定子线圈是由多个单一导体制成的导线棒或线圈原型构成，这些导线棒或线圈原型的横断面既可以是圆形的，也可以是矩形的，在本发明中，建议导线棒或线圈原型最好成矩形的横断面，它由多个矩形的单一导体所构成。导线棒可以盘绕，也就是说，单一导体相互绞接，也可以不盘绕，也就是说，单一导体并不相互绞接，而是相互平行地敷设。

根据现有技术，定子线圈(例如导线棒，线圈原型，绕组)的绝缘一般使用云母纸，考虑到机械强度问题，将这种云母纸用玻璃布载体进行强化，并以带形围绕导体缠绕，被卷绕的导体在缠绕之后发生变形，将已缠绕的导体在一种时效硬化的树脂中浸渍，形成热固性塑料的非溶化的绝缘材料，它具有热塑性基体，以带形卷绕在导体上，例如可用ASPHALT SCHELLACK公司(见BROWN BOVERI REVIEW第57卷第15页署名为R.SCHULER的题为“高压旋转电机的绝缘系统”的文章)的聚砜和聚醚丙酮作为绝缘材料(德国专利文献DE 4344044A1)。这种绝缘材料在基体的热熔化温度之上是可以重新产生塑性变形的。

这些通过缠绕完成的定子线圈的绝缘具有如下缺点，加工费时，并且投入大，其中尤其是卷绕过程和浸渍过程相当费时，根据云母纸的物理特性和浸渍树脂的特性，几乎不存在能够加快工艺处理过程的可能性。而且，这种制造过程对于要求绝缘较厚的情况也是有缺陷的，当云母纸不能充分与定子线圈相适配时，将使所得到的绝缘容易损坏。特别是在缠绕完成定子线圈之后，由于卷绕机器的调整不当，可能会在云母纸上出现褶皱和裂缝，例如通过一个在云母纸和导体之间的侧面或平面的线匝或者通过一个不当的静态或动态的拉力，这个作用力是在缠绕过程中施加在云母纸上的。此外，由于在过大的带状涂层上施加过压，它阻碍了绝缘在浸渍原型中被均匀的浸透，于是就获得了一个部分或全部含有缺陷的绝缘产品，它的短时和/或长期强度性能都有所降低，这种定子线圈绝缘产品的寿命被显著降低。

此外采用公知的电缆制造技术和方法对导线束加外包皮，即将具有圆形断面的导线束进行挤压，用热固性塑料或弹性体外包皮，如USA5,650,031和WO97/11831所公开的专利主题所涉及的对定子线圈加绝缘的方法，其中定子线圈被放入一个挤压设备的中心孔内，定子线圈具有一个复杂的原型，采用经过挤压的热固性塑料材料同时在该复杂线圈原型的每一侧实现外包皮，尤其是通过一种复合挤压完成外包皮处理。

在已有的电缆制造技术中，采用聚合物绝缘也是公知的，在电缆上利用热收缩技术构成绝缘，这里涉及的软管是具有圆形断面的预制软管，可以由交联的热固性塑料、弹性体、聚偏氟乙烯、PVC、硅树脂弹性体或聚四氟乙烯制成。这些材料在制造之后在加热状态下伸长和冷却，在冷却之后，材料将保持其扩张的形状。这种特性似乎是由其结晶体中心所形成，其中扩张的大分子是固定的。通过再次加热，结晶体区在超过结晶体的熔化点之后熔解，于是大分子又恢复到未扩张的状态，于是，绝缘实现收缩。然后，软管冷收缩的技术也是公知的，软管在冷却状态下发生机械扩张，在扩张状态下的软管通过一个支撑结构被支撑，软管在扩张的状态下能够长期维持，此后，软管通过绝缘构件滑移和固定，将支撑结构通过适当的方式去掉，例如摘掉通过螺旋形开孔的支撑结构。可是这种已有的收缩技术不能适用于具有矩形断面的定子线圈，因为所述紧靠矩形导体的边缘上的软管的断面是圆形断面，这样，在收缩之后，或者在电机运行期间短期加载之后，由于热应力和机械应力的作用，定子线圈的绝缘很容易被撕开或发生断裂。

在制造定子线圈时，特别是在弯曲导体时，以及在加工和组装定子时，定子线圈的绝缘必然受到相当高的机械作用力，这种作用力可能会损坏定子线圈的绝缘。为此，定子线圈的绝缘在电机运行期间应当能够满足综合要求。一方面，在具有很高电压的导体和定子之间的绝缘要满足隔离所产生的电磁场的要求，另一方面，由于在导体中产生热，对绝缘提出能够实现必要的热交换，因为在电机运行期间，在绝缘上会产生很高的温度，根据所用材料的不同的膨胀情况，会产生机械交变应力。于是造成在导体和绝缘体之间粘合的剪切力，此外，在绝缘体和定子的槽壁之间的交界表面上会出现磨粒磨损的危险。由于存在上述高的作用力，定子线圈的绝缘可能会出现裂缝，这是导致短路的隐患。如果发生短路的话，将可能导致整个电机的故障，由此需要经常或频繁的维修和高的消耗成本。

本发明的目的是提供一种对旋转电机的定子线圈加以绝缘的方法，正如权利要求特征部分所描述的，能够实现定子线圈的绝缘，而且定子线圈的绝缘能够保证电机具有预期的持久工作寿命。

本发明的上述目的是通过独立权利要求1的特征所限定的方法实现的。

本发明使用弹性体，这是由于弹性体具有高的弹性和高的热和电气承载性能，在热负载较高的情况下，使用硅树脂弹性体是非常合适的，在线圈原型上的主绝缘最好具有矩形的横截面。

在一个优选的方法中，首先将线圈原型的外面加上用弹性体做的外包皮，制成线圈成品，通过渐开线的卷曲，线圈上的绝缘开始强烈拉伸，根据本发明，利用弹性体做绝缘材料非常有利，因为弹性体在受到卷曲应力时，其机械性能、电气性能和热负载特性都不会受到损害，影响可以忽略不计。

弹性体作为主绝缘的材料适合采用压注模方法制成，压注模的每个单一部分最好形成积木式系统结构，以便能够覆盖常用的线圈原型的几何尺寸。

线圈原型最好通过注模内的一些间隔件或可调顶头进行同心调整，所述中心不允许出现下述情况：在导线棒和注模之间的每个位置上的空腔具有同样的高度。在本发明的范围内，环绕着所述的线圈原型的主绝缘的厚度可以是不同的，不过，在本发明的优选的实施例中，线圈原型的主绝缘具有相同的厚度。

下面将结合附图进一步说明本发明的具体实施例。附图为：

图1a一个压注模的横截面视图，它在线圈原型的两个边间通过各间隔件在注模内聚集在中心；

图1b一个压注模的纵断面视图，它在线圈原型内通过各间隔件在注模内聚集在中心；

图1c一个压注模的纵断面视图，它在线圈原型内通过各不同形式的间隔件在注模内聚集在中心；

图2a一个压注模的横截面视图，在两个线圈原型内通过可调节的顶头在注模内聚集在中心；

图2b一个压注模的纵断面视图，它在线圈原型内通过可调节的顶头在注模内聚集在中心；

图3图2b所示的可调节的顶头的细节视图；

图4a一个挤压设备；及

图4b在一个挤压设备中的线圈原型。

在各附图所示的本发明的具体实施例中，仅展示了说明本发明改型可能性的基本元件和构件，根据本发明的方法和设备的教导，本领域的一般技术人员能够以各种各样的方式改进和完善本发明，然而所有的改进和完善方案均未脱离本发明的原创思想和原理。

图4b显示出一个线圈原型70，采用挤压方法使该线圈原型具有一个主绝缘，对线圈原型进行加工，将一个较长的绝缘的单一导体卷绕成一个平面的椭圆形线圈，所述的较长的绝缘的单一导体的端头可以作为线圈引入端72，那么该较长单一导体的另一端作为线圈的引出端74，在接着的工序中，线圈原型或骨架被展开以成品形式安装在定子上。

制造线圈原型，既可以使用圆形的单一导体，也可以使用矩形的单一导体。由单一导体加工成的线圈原型70构成的定子线圈的横截面或者是圆形的，或者是矩形的。在本发明中，推荐采用矩形横截面的线圈原型70，它由矩形的单一导体所构成，使用矩形横截面的优点是有助于实现本发明的目的，因为矩形横截面的单一导体和/或线圈原型70发生偏移的程度极小。

图1a是一个压注模30的横截面视图，其中该线圈原型70的两个边通过各间隔件40在注模内聚集在中心，所示压注模30由一个上盖32和一个底板34构成，在两个注模空腔之间具有一个中间部分36，它由相邻的注模空腔的侧壁所围成，而两个注模空腔的另两个侧壁由侧板38所形成。在附图中，显示了一个线圈原型的两个边，压注模的端部是敞开的，它仅环绕住线圈原型70的一部分。

图1a中所示的压注模30具有两个注模空腔，每个压注模的注模空腔的数量可以随时变换，要减少注模的话，可以例如取出中间部分36，并且向另一端的侧板方向推移两个侧板38中的至少一个。要增加注模空腔的话，例如可以采用多个降低了扩张程度的中间部分36实现。因此在图1a中所示的中间部分36可以用两个更窄的中间部分代替，于是在两个窄的中间部分之间又构成了另一个注模。

压注模30的单个部件如上盖32、底板34、中间部分36和侧板38的几何尺寸是可以改变的，这些元件构成一个积木式模块化系统，它能够适配于各种几何尺寸的线圈(横截面、长度或半径)，所用的中间部分36和侧板38允许具有不同的高度，否则压注模的几何扩展是相同的，线圈原型的分层具有不同的横截面，例如，线圈原型70具有相同的宽度，然而具有不同的高度，此外，一个线圈原型的一个边可以与其高度相一致，但是沿着其纵轴旋转90度安装在注模内，于是该线圈原型70各层具有相同的高度，然而具有不同的宽度。线圈横截面的小的改变也可以通过加大要浇铸的主绝缘的层厚度来实现。通过不同高度的中间部分36和侧板38及不同宽度的中间部分36和侧板38的组合，可以形成许多不同横截面的线圈原型层。如果采用隔板，可以提高压注模的积木模块化系统的灵活性，这些隔板可以作为注模空腔的侧板、底板或盖板，从而减小注模空腔的宽度或高度。

在一个优选的实施例中，导电线圈的窄侧和宽侧上的绝缘厚度是相同的，在一个最佳实施例中，导电线圈的窄侧的绝缘厚度要大于其宽侧上的绝缘厚度，由此降低了在导线边缘上的电场强度，并且并不妨碍热量从宽侧上散失。

在本发明的另一个图中未显示的实施例中，线圈原型具有已经被卷曲的部分，导电线圈的被卷曲的部分能够带有一个主绝缘，这个线圈原型具有三维的区域，它最好与导电线圈的已知公差能够相匹配，它具有一个标准半径，因此，线圈原型能够根据所需的线圈原型的几何尺寸由来自一个积木系统的零部件组装而成，于是可以大大降低压注模的成本。采用简单和便宜的压注模所带来的好处在处理卷曲的导电线圈用的压注模上似乎无法体现，然而当大批量加工时还是有益的，尤其是对于与已经卷曲的导电线圈相匹配的压注模，可以适用于多种类型的导电线圈的标准化处理。

当工作过程中，这种复杂的压注模制成的绝缘能够提供所需的绝缘和外部爬电保护，例如通过活动区域，采用注射、交联、区域移动、注射、交联、区域移动……形成保护层，此外，也可以采用多成分注模方法形成所需保护层。

图1b是图1a所示的注模空腔的纵剖面图，在中心具有多个圆柱形的分隔件40，在通常情况下，线圈原型70的一个臂伸入注模空腔内，在所有侧上主绝缘具有相同的层厚，利用具有不同高度的分隔件40，可以使环绕线圈原型70外周围的主绝缘具有不同的层厚，这里采用圆柱形分隔件40不是必须的，分隔件可以为了不同目的具有正方形或矩形的断面，这样使线圈原型与侧板隔开是容易实现的，可以将线圈的窄的一侧放在注模的底板上，而且不会滚动，图1c显示了具有矩形断面分隔件40，此外，还可以用分隔件将线圈原型完全包围，这时完全包围线圈的分隔件40最好有一侧是断开的，这样易于安置线圈。

如上所述，线圈聚集在注模空腔(主绝缘具有相同的层厚)的中心或线圈与注模空腔的各壁有空隙，利用具有不同形式和高度的分隔件40，以适当的间距相互放置在线圈上或注模空腔内。建议分隔件都用与主绝缘相同的材料制成，通过这些材料的部分交联，使分隔件保持一个确定的部件稳定性。另一方面，它满足足够的化学反应结合特性，能够与主绝缘的注模材料具有确定的可靠的化学结合。根据所使用的材料，通过简单的变换，分隔件的材料的交联等级必须已存在，以便在交界面上其本身和与并没贯穿交界面的主绝缘的同类的材料同时满足必要的机械强度和电气强度要求。

图2a和2b所示的一个线圈原型70的两个边通过在注模空腔内的可调的顶头42维持线圈原型在中心或与注模空腔留有空隙，一个调整帽44能够精确调整单个顶头42，使它能够在封闭的压注模内活动，当弹性体进行注射和使用交联物期间，线圈被顶头维持在所要求的位置上。通过如上所述的交联过程，被注射的用作主绝缘的弹性体材料具有了必要的强度，使线圈无需顶头也能维持在其所要求的位置上。当主绝缘达到这一强度之后，顶头42退回，所出现的空腔被液态的弹性体所充填，向空腔内注射充填液态材料是通过在顶头42内含有的注射管46(见图3)实现的，在顶头的区域内，被注射的材料可以是液态的，或柔顺的，但是必须具有足够的反应联结能力，并且在交界面上的主绝缘的机械和电气性能应当与主绝缘的同类的材料相一致。在顶头周围的受限的材料是固定的，并且也必须是有反应能力的。为了促进在交界面上发生交联反应，可以例如在两个间隔顶头之间设置一个加热区50(见图2b)，开始加热，交联反应从加热区开始，朝着顶头所在方向扩散，在那里延迟一段时间发生交联，使在顶头周围的材料能够与从注射管46输入的新鲜的弹性体发生充分的化学反应，可以代替的和补充的是，可以将顶头42冷却，通过冷却，能够使顶头内的和顶头周围的材料不交联。

图1和2所示的压注模最好在其纵向端部是敞开的，并且用密封盖可封闭，将线圈原型压紧封闭。如果主绝缘分一个或多个分段制成，或由积木系统构成的多个压注模共同组装成一个局部的或整体的压注模，有助于实现围绕线圈原型全长的绝缘。在分段浇铸过程中产生的邻接位置可以通过如上所述的交联方法形成，于是保证了在邻接位置上也具有所要求的材料特性。

在图4a中显示了一个挤压设备10，它将待加工的材料即作为处于可塑状态的模塑材料的弹性体由一个加压室经过一个具有相应成型的挤压工具而从喷嘴连续向外挤压，输出的矩形软管构成一个连续的料条，用作线圈原型70外包封的绝缘层4。通过一个装料斗12，将原材料(例如卷筒料条，粒料或粉末)输入到一个转变区14内，原材料在其中压缩，预加热和转变成一种可塑的成型桨状物，在转变区14内的传送过程例如可以通过螺旋输送机实现，成型区16负责将材料管连续加工成矩形的线圈断面。所述的挤压头可以在入口区(及其附近)具有圆形断面，或者采用的挤压设备在材料入口区具有矩形断面，主绝缘的材料特性可以通过添加有机(例如硅酸)和无机(石英粉)填料进行调节，使其满足电机所要求的机械性能，构成定子线圈的主绝缘。

图4b是一个正在挤压设备中的线圈原型70，在线圈原型的较窄的侧面上的半径不能太小，挤压设备环绕着整个线圈原型连续进行挤压。所述挤压头的构造必须是能够围绕着线圈原型工作(参见例如德国专利DE4326650A1)，因为一个封闭的线圈并不是类同于一个单一导体或导线棒，仅从一侧送入挤压头内，采用经过特殊设计的挤压头(参见例如美国专利US5650031)，能够给弯曲的线圈原型套上外包封，在这种情况下，将挤压头安置在线圈原型的一侧(例如在线圈输出端74上)，并且沿着线圈原型一直移动至线圈的另一端(线圈输入端72)。

挤压辊76安置在挤压设备的上游，将线圈原型的各单一导体紧紧压接在一起，从而能够为线圈原型套上均匀的和没有空腔的外包皮，线圈原型的单一导体相互紧凑地定位，例如临时地用弹性材料将单一导体粘结，或者用抗机械剪切力的弱胶粘剂粘结，但是对随后线圈的卷曲(展开)之后不造成妨碍。还有，可以使用一种胶粘剂，它的粘结力在一定的加热条件(例如在展开之前)下丧失，因此有利于卷曲工艺的进行，这种措施在注模方法中使用也是必要的。

在某些实际应用情况下，线圈原型70最好具有槽爬电保护和可控制(弓形爬电保护)，定子线圈的槽爬电保护和外部爬电保护一般发生在主绝缘和定子槽之间放置的导电材料层上，外部爬电保护产生一个限定的单位长度电位，能够防止局部放电现象发生，局部放电例如设置不同的间距造成在根据质量布置在定子槽上的绝缘线圈可能会产生高电位而放电，采用本发明制造的绝缘保护层是在弹性材料基础上涂上导电的或半导电的涂层，本发明提供了多种应用的可能性，保护层的设置例如在弹性体上有导电的或半导电的涂层，相应的线卷(例如自身焊接的)通过幅射或加热可以被交连，也可以采用冷收缩式或热收缩式涨圈。原则上，外部爬电保护还可以采用液态的可塑性材料实现。

在本发明方法的又一个推荐的实施例中，采用多个先后实施的注模方法或采用两次或三次复合挤压方法形成所需的主绝缘和/或外部爬电保护。在注模方法中，可以采用具有不同断面的不同的压注模，或者在同一个压注模中进行，在相应的注模步骤下，用填充型材(隔板)形成注模空腔，为随后形成的层留下必要的空间，再有一种可能性，注模空腔具有可活动的区域，这种可活动的区域属于注模空腔的一部分，它的安置要求仅在可控制调整区(槽爬电保护直到调整控制端)内浇铸一个附加层。

槽爬电保护最好仅在导线棒所在区域形成，滞后地形成在槽内。弓形爬电保护用于防止在槽爬电保护的末端上发生尖端放电，弓形爬电保护可以按如上所述的方法形成。

在一个图中未示出的对现有技术设备改进了的拉伸设备中，定子线圈被加工成适合于安置在定子内的形状，已经绝缘的线圈在夹具中被传送至拉伸设备中，并且依靠夹具的运动相对于半径规加工成所需的卷曲形状，在半径规和从线圈的主绝缘之间安置一个保护层，它使由半径规产生的压力均匀分布在表面上，防止所述的绝缘层被过分压伤。由于机械负载能够被均匀分布，由弹性体构成的绝缘层不致受损，这种渐开线的弯曲使绝缘层得到很大的拉长，常规的材料将会出现高温热塑断裂损伤。聚乙烯具有必要的柔韧性，但是不能满足电机所要求的常规的抗高温性能，不过对于在具有较小热效率(T＜90度)的电机上的使用，可以从原理上考虑以类似的方式使用聚乙烯。同样的原则也适用于其他柔韧性好的热塑性材料。

由于线圈的断面是由许多单一导线捆成的线束，线圈的主绝缘经过弯曲加工之后，在线圈的表面上相对于主绝缘布置的各单一导线相互之间可能会有相对位移，因此建议在线圈原型和主绝缘之间敷设隔离层，它使单一导线相对于主绝缘的位移具有更小的磨擦力，这例如可以通过用隔离剂处理导电棒实现。如果没有内部爬电保护措施，所述的位移大多是不敏感的，因为在弯曲范围(在控制调整之后)内的这种电场是减小的。

主绝缘采用弹性体材料制成，弹性体具有高的弹性，由此它还具有高的电气强度和机械强度，特别是在带有大的热负载的电机的情况下，最好使用硅树脂弹性体。弹性体(与其他材料相比)的采用允许使用注模和挤压方法，并且在材料的耐久性方面和机械柔韧性方面可达到较高的要求。所选用的弹性体可以是冷交联型或热交联型弹性体，如果是冷交联型，所述交联例如通过混合两种成分开始，其中一种成分包含交联剂；如果是热交联型，所述弹性体放置在压注模内和/或如上所述在给线圈原型70加外包皮之后，最后，建议送热空气(烘箱)或者通过电阻或电感加热线圈原型。

Claims (10)

1、一种制造线圈原型、特别是定子线圈的主绝缘的方法，其中所述的线圈原型具有一个矩形的断面，所述主绝缘是由弹性体构成。

2、根据权利要求1的方法，其中绝缘外包皮带有硅树脂弹性体。

3、根据前述任何一个权利要求所述的方法，其中绝缘外包皮是通过一种挤压方法实现的。

4、根据权利要求1-2中之一的方法，其中绝缘外包皮是通过一种压注模方法实现的。

5、根据前述任何一个权利要求所述的方法，其中所述线圈原型通过扩张处理变为另一种形式。

6、根据前述任何一个权利要求所述的方法，其中所述线圈原型是采用多个单一导体组装而成，所述单一导体最好具有矩形的断面。

7、根据权利要求6的方法，其中所述单一导体被临时相互连接在一起。

8、根据权利要求1-7中之一的方法，其中主绝缘在所有侧面上具有相同的厚度。

9、根据权利要求1-7中之一的方法，其中主绝缘的较窄侧的厚度等同于其宽度。

10、经绝缘处理的线圈原型70或用于定子线圈的线圈，是根据前述任何一个方法制造的。

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