MX2012014420A - Conductor electrico con aislamiento electrico circundante. - Google Patents

Conductor electrico con aislamiento electrico circundante.

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Abstract

Un conductor eléctrico proporcionado con un sistema de aislamiento eléctrico rodeando el conductor 1, el aislamiento comprende una primera capa de aislamiento 2 rodeando el conductor y una segunda capa de aislamiento 3 rodeando la primera capa de aislamiento 2; la segunda capa de aislamiento 3 comprende un segundo polímero y un segundo rellenador en la forma de óxido de cromo (Cr2O3), óxido de hierro (Fe2O3), o una mezcla de óxido de cromo y óxido de hierro, en donde la primera capa de aislamiento 2 comprende un primer polímero y un primer rellenador que comprende nanopartículas dispersadas.

Description

CONDUCTOR ELECTRICO CON AISLAMIENTO ELECTRICO CIRCUNDANTE CAMPO DE LA INVENCION La presente invención se refiere a un conductor eléctrico proporcionado con un sistema de aislamiento eléctrico circundante.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION Los conductores eléctricos proporcionados con un aislamiento eléctrico en la forma de un variz rellenado con partículas de óxido de cromo (Cr203) u óxido de hierro (Fe203) son conocidos por proporcionar excelente resistencia contra las descargas parciales. Estos tipos de conductores eléctricos aislados típicamente son utilizados en motores eléctricos y entonces se refieren como hilos esmaltados.
EP 356 929 Al, aquí incorporado por referencia, proporciona un ejemplo de un hilo esmaltado que tiene un sistema de recubrimiento aislante que comprende una película de recubrimiento base y una película de recubrimiento superior. La película de recubrimiento superior comprende un polímero orgánico, por ejemplo, de poliésteramida (PEA) y un rellenador en la forma de partículas de óxido de cromo o partículas de óxido de hierro con un tamaño de partícula promedio de 0.005-30 µ??. La película de recubrimiento superior es aplicada sobre la película de recubrimiento base de poliéster o poliésterimida (PEI) rodeando el conductor. La cantidad de partículas de óxido de cromo debe ser lo suficientemente alta para formar una estructura percolada. A través de esto en la película de recubrimiento superior se logra una resistividad intrínseca de 104 - 108 ohm m, lo cual protegerá eléctricamente al sistema de aislamiento bajo descargas eléctricas. De esta manera se previene la iniciación de la erosión eléctrica del recubrimiento aislante. Una vez que la película de recubrimiento superior es penetrada o resquebrajada, la erosión eléctrica avanza más bien rápido a través de la película de recubrimiento base. Una desventaja con el tipo antes descrito de sistema de aislamiento es que con los requerimientos incrementados en el recubrimiento aislante para soportar altos campos eléctricos se requiere una cantidad mayor de óxido de cromo. Con esta mayor cantidad de óxido de cromo, las propiedades mecánicas del sistema de aislamiento disminuyen. A medida que el hilo recubierto es sujeto a flexión, por ejemplo, durante la fabricación de motores, es necesario que el sistema de aislamiento tenga excelentes propiedades mecánicas, tales como una excelente resistencia a la flexión.
Especialmente para motores controlados por convertidor de frecuencia de bajo voltaje existen requerimientos incrementados en el recubrimiento de aislamiento del conductor para soportar voltajes de contorneo que pueden dar origen a descargas parciales en el sistema de aislamiento del conducto, y posteriormente posible erosión eléctrica del sistema de aislamiento. Por lo tanto, existe la necesidad de un sistema de aislamiento eléctrico para conductores metálicos, tales como hilos, que tienen una resistencia similar o superior contra descargas parciales que los sistemas de aislamiento de hoy en día.
SUMARIO DE LA INVENCION Un objetivo de la invención es proporcionar un conductor eléctrico aislado con alta resistencia contra descargas parciales en el sistema de aislamiento eléctrico. Otro objetivo de la invención es proporcionar los rendimientos mecánicos del sistema de aislamiento eléctrico del conductor eléctrico aislado.
Esos objetivos se logran proporcionando un conductor eléctrico proporcionado con un sistema de aislamiento eléctrico rodeando el conductor, el sistema de aislamiento comprende una primera capa de aislamiento eléctrico rodeando al conductor y una segunda capa de aislamiento eléctrico rodeando la primera capa de aislamiento. La segunda capa de aislamiento comprende un segundo polímero y un segundo rellenador en la forma de un óxido de cromo (Cr203) , óxido de hierro (Fe2C>3) , o una mezcla de óxido de cromo y óxido de hierro, en donde la primera capa de aislamiento comprende un primer polímero y un primer rellenador que comprende nanopartículas dispersadas.
Las nanopartículas de preferencia están bien dispersadas en el primer polímero, lo cual significa que la dispersión de las nanopartículas en el primer polímero puede ser conducida en cualquier manera convencional, siempre y cuando la dispersión se lleve a cabo de manera que la aglomeración sea reducida al mínimo y las nanopartículas sean sustancialmente distribuidas de manera uniforme en el primer polímero.
A través de un sistema de aislamiento que combina la primera capa de aislamiento con nanopartículas bien dispersadas y la segunda capa de · aislamiento rellenada con partículas de óxido de cromo y/o partículas de óxido de hierro se obtiene una excelente protección y resistencia del sistema de aislamiento contra las descargas eléctricas y, de esta manera, un tiempo de vida incrementado de los conductores aislados. El rellenador de óxido de cromo y/u óxido de hierro se cree que incrementa la conductividad eléctrica en la capa de superficie de la primera capa de aislamiento lo suficiente para que el efecto extremadamente concentrado de una descarga de corona sea disipado sobre una superficie grande, reduciendo asi considerablemente el efecto de la descarga de corona.
Además, la resistencia a la flexión del sistema de aislamiento eléctrico se mejora en comparación con los conductores de la técnica anterior que tienen un sistema de aislamiento de una matriz de polímero rellenado con óxido de cromo y/u óxido de hierro. La primera capa de aislamiento eléctrico comprende nanoparticulas acomodadas entre el conductor y la segunda capa de aislamiento eléctrico es más dúctil que la segunda capa de aislamiento y, por lo tanto, mejorará la flexibilidad de todo el sistema de aislamiento eléctrico .
La primera capa de aislamiento eléctrico que comprende nanoparticulas también haría posible utilizar un contenido inferior de óxido de cromo y/u óxido de hierro en la segunda capa de aislamiento que en sistemas de aislamiento conocidos que comprenden óxido de cromo y/u óxido de hierro, debido a que incluso si la segunda capa de aislamiento eléctrico es resquebrajada debido a descargas parciales, la primera capa de aislamiento, es decir, la capa ubicada entre el conductor y la segunda capa de aislamiento eléctrico, seguirá proporcionando al sistema de aislamiento una alta resistencia contra descargas parciales.
De acuerdo con una modalidad, el segundo rellenador de óxido de cromo y/u óxido de hierro está presente en una cantidad de 10-40% del volumen de la segunda 'capa de aislamiento, de preferencia 10-30% del volumen de la segunda capa de aislamiento. Por lo tanto, se obtiene una protección mejorada contra descargas parciales y también un rendimiento mecánico mejorado de todo el sistema de aislamiento.
De acuerdo con una modalidad, el segundo rellenador tiene un tamaño de partícula promedio de 0.005-30 µp\, con más preferencia 0.15-10 µ??. A través de esta modalidad se obtiene una protección mejorada adicional contra las descargas parciales .
De acuerdo con una modalidad, el segundo rellenador tiene una resistividad de 104-108 ohm m.
De acuerdo con una modalidad, el segundo polímero es al menos uno de los siguientes polímeros: poliésteres, poliésterimidas , poliamidaimidas, poliésteramidas , poliimidas, poliuretanos , epoxi, y poliamidas.
De acuerdo con una modalidad, la segunda capa de aislamiento tiene un grosor de 5-50 µp?.
De acuerdo con una modalidad, el primer polímero es al menos uno de los siguientes polímeros: poliésteres, poliésterimidas, poliamidaimidas, poliésteramidas, poliimidas, poliuretanos, epoxi, y poliamidas.
De acuerdo con una modalidad de la invención, las nanoparticulas comprenden al menos cualquiera de los siguientes: dióxido de silicio (Sílice, Si02) , óxido de aluminio (alúmina, AI2O3) , óxido de zinc (ZnO), dióxido de titanio (Ti02) , titanato de bario (BaTi03) , óxido de magnesio (MgO) y arcilla de montmorillonita (MMT) .
De acuerdo con una modalidad, las nanoparticulas son injertadas a la matriz de polímero. Las nanoparticulas bien dispersadas y químicamente unidas en la matriz de polímero de la primera capa de aislamiento tienen como resultado una resistencia mejorada adicional contra las descargas parciales así como un material dúctil con excelente resistencia al doblez. Al momento de la deformación mecánica del conductor tal como un hilo, no se forman huecos entre las partículas y la matriz de polímero dentro de la capa de aislamiento. La ausencia de huecos, en combinación con el rellenador resistente a la erosión, tal como por ejemplo dióxido de silicio (Si02) , tiene; como resultado una baja erosión eléctrica durante descargas parciales.
De acuerdo con una modalidad, las nanoparticulas en la primera capa de aislamiento están presentes en una cantidad de 1-40% del volumen de la primera capa. De esta forma se obtiene una resistencia mejorada contra las descargas parciales y también un rendimiento mecánico mejorado de todo el sistema de aislamiento.
De acuerdo con una modalidad, las nanoparticulas en la primera capa de aislamiento tienen un tamaño de partícula promedio de 1-200 nm. De esta manera se obtiene una resistencia mejorada contra las descargas parciales y también un rendimiento mecánico mejorado del sistema de aislamiento.
De acuerdo con una modalidad, la primera capa de aislamiento tiene un grosor de 20-120 pm.
De acuerdo con una modalidad, el grosor de la segunda capa de aislamiento es 10-25%, de preferencia 15-20% del grosor de la primera capa de aislamiento. A través de esta proporción entre la primera y la segunda capa de aislamiento, las propiedades mecánicas y la resistencia al doblez del sistema de aislamiento se mejora adicionalmente .
De acuerdo con una modalidad, la segunda capa de aislamiento está rodeando la primera capa de aislamiento y es aplicada directamente sobre la primera capa de aislamiento, de manera que está en contacto con la primera capa de aislamiento .
De acuerdo con una modalidad, el sistema de aislamiento es un sistema de aislamiento esmaltado.
De acuerdo con una modalidad, una capa adicional está acomodada entre la primera capa de aislamiento y la segunda capa de aislamiento. La capa adicional es aplicada, por ejemplo, para mejorar la adhesión entre la primera y segunda capas. De acuerdo con una modalidad de la invención, la capa adicional tiene un grosor que es más delgado que la primera o segunda capa de aislamiento.
De acuerdo con una modalidad, se proporciona un motor eléctrico con un devanado o serpentín que comprende un conductor eléctrico de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-14. De preferencia el motor es un motor eléctrico de bajo voltaje. De acuerdo con una modalidad, el motor eléctrico es un motor eléctrico controlado por convertidor de frecuencia de bajo voltaje. De acuerdo con una modalidad, se proporciona un transformador con un devanado que comprende un conductor eléctrico de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-14. Debido a que el conductor eléctrico de acuerdo con cualquiera de las modalidades antes descrita ha resultado tener una excelente resistencia contra las descargas parciales, también se mejorarán las propiedades de un motor eléctrico, transformador u otro equipo eléctrico que comprenda un serpentín o devanado del conductor eléctrico.
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS La invención se explicará con mayor detalle a través de la descripción de las modalidades con referencia a los dibujos acompañantes, en donde La figura 1 es una sección transversal de un conductor aislado de acuerdo con una primera modalidad de la presente invención, y La figura 2 es un diagrama que muestra las curvas del tiempo de vida para cuatro tipos diferentes de hilos esmaltados.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA MODALIDAD PREFERIDA La figura 1 muestra una sección transversal de un conductor eléctricamente aislado 1 donde el conductor en la forma de un hilo metálico está rodeado por un sistema de aislamiento eléctrico que comprende una primera capa de aislamiento eléctrico 2, comprendiendo una matriz de polímero con nanopartículas bien dispersadas de sílice. El sílice es injertado a la matriz de polímero, por ejemplo, poliéster o poliésterimida (PEI) . Las nanopartículas tienen un tamaño de partícula promedio de 1-200 nm.
Una segunda capa de aislamiento eléctrico 3 comprendiendo una matriz de polímero de poliésteramida rellenada con óxido de cromo (Cr203) que tiene un tamaño de partícula promedio de 0.15 - 10 µ?? está rodeando la primera capa de aislamiento.
El hilo metálico de acuerdo con esta modalidad tiene una sección cruzada redondeada y está hecho de cobre; sin embargo, también se pueden utilizar otras formas del conductor, tal como hilo perfilado, y otros materiales conductores convencionales, tales como aluminio.
El recubrimiento es aplicado en una manera convencional permitiendo que el hilo pase múltiples veces a través de un baño de recubrimiento que comprende un barniz con rellenador, matrices o fieltros de limpieza, y un dispositivo de calentamiento para endurecer el recubrimiento. Para aplicar la primera capa 2 en el conductor 1, el hilo típicamente es pasado a través del baño de recubrimiento que comprende un barniz del primer polímero y las nanopartículas bien dispersadas, y posteriormente los pasos de limpieza y calentamiento subsecuentes. Esto se repite 8-12 veces, de manera que se obtiene un grosor (ti) de 20-120 pm para la primera capa de aislamiento.
La segunda capa de aislamiento 3 es aplicada en una manera correspondiente permitiendo que el hilo con la primera capa de aislamiento 1 pase a través de un baño de recubrimiento con el barniz del segundo polímero y el segundo rellenador, típicamente óxido de cromo, y posteriormente los pasos de limpieza y calentamiento subsecuentes. Esto se repite 2-3 veces, de manera que se obtiene un grosor (t2) de 5-50 pm para la segunda capa.
El número de capas de recubrimiento para la primera capa de aislamiento 2 y la segunda capa de aislamiento 3 depende del nivel de voltaje en el motor para el cual se va a utilizar el hilo esmaltado. El grosor total de la capa de aislamiento para un hilo esmaltado generalmente se refiere como un grado de aislamiento especifico.
En las modalidades de acuerdo con la figura 1, la primera capa de aislamiento 2 se aplica directamente sobre el, hilo metálico mediante el recubrimiento del hilo con el barniz, sin embargo, también se puede acomodar una capa circundante intermedia entre el conductor 1 y la primera capa de aislamiento 2 para incrementar la adhesión entre el conductor y el sistema de aislamiento.
De acuerdo con otra modalidad ejemplar, una tercera capa de aislamiento (que no se muestra) es acomodada fuera y rodeando la segunda capa de aislamiento 3. La tercera capa se puede aplicar directamente sobre la segunda capa y protege mecánicamente la segunda capa aislante. La tercera capa aislante puede ser hecha de un polímero no rellenado y el polímero de preferencia es del mismo tipo que la segunda capa, es decir, cualquiera de los siguientes: poliésteres, poliésterimidas , poliésteramida, poliamidaimidas, poliimidas, poliuretanos , epoxi y poliamidas.
El gráfico en la figura 2 muestra las curvas del tiempo de vida de cuatro hilos esmaltados diferentes, con base en los recubrimientos aislantes genéricamente diferentes. La curva 1 está relacionada con un hilo esmaltado con un recubrimiento base convencional y un recubrimiento superior convencional. La curva 2 está relacionada con un hilo esmaltado con un recubrimiento base nano-rellenado y un recubrimiento superior convencional. La curva 3 está relacionada con un hilo esmaltado con un recubrimiento base convencional con un recubrimiento superior protector de corona, es decir, un recubrimiento que comprende rellenador de óxido de cromo y/u óxido de hierro. La curva 4 está relacionada con un hilo esmaltado con un recubrimiento base nano-rellenado y un recubrimiento superior protector de corona. El recubrimiento base nano-rellenado puede ser un recubrimiento de acuerdo con la modalidad divulgada en relación a la figura 1. Las curvas del tiempo de vida están basadas en mediciones del tiempo para el rompimiento de pares torcidos de hilos redondos con un diámetro de conductor de 1.12 mm y un grado de aislamiento 2 a 50 Hz de voltaje AC y a 140°C. La tensión por el voltaje aplicado ha estado por arriba del Voltaje Parcial del Inicio de la Descarga (PDIV) en todos los casos. Las curvas de tiempo de vida han sido ajustadas en curva a datos experimentales.
A partir de las curvas en la figura 2, se puede observar que el hilo esmaltado con recubrimiento base nano-rellenado y recubrimiento superior protector de corona, curva 4, de acuerdo con una modalidad de la invención, claramente tiene el mejor rendimiento de resistencia al voltaje, donde su tiempo de vida aumenta con la disminución de la tensión de voltaje con relación a los otros tipos de hilos.
También se ha mostrado en la prueba de flexión que las propiedades mecánicas del hilo esmaltado se mejoran para un hilo esmaltado con un recubrimiento base nano-rellenado y un recubrimiento superior protector de corona, muestra A, en comparación con un hilo esmaltado con un recubrimiento base convencional con un recubrimiento superior protector de corona, muestra B. También se probó un hilo esmaltado con un recubrimiento base nano-rellenado y un recubrimiento superior convencional, muestra C. Todas las muestras están hechas de hilos redondos esmaltados con un diámetro de conductor de 1.12 mm y un grado de aislamiento 2.
La prueba de flexión fue ejecutada doblando las muestras sobre un formador de doblez de prueba de 2 mm a un serpentín con varios giros. Posteriormente, las muestras se dejaron envejecer en un horno a 200°C durante 48 horas. Después del envejecimiento, la superficie de las muestras fue inspeccionada y se mostró que la Muestra A y la muestra C no tenían resquebrajamientos en la superficie exterior de la capa esmaltada, mientras que la Muestra B tenia resquebra amientos en la superficie exterior de la capa esmaltada. Se cree que para la muestra ? , la primera capa de aislamiento nano-rellenada acomodada bajo la segunda capa de aislamiento distribuye la tensión mecánica en las capas de aislamiento de manera que la capa esmaltada es menos propensa al resquebrajamiento.
La invención no queda limitada a las modalidades antes mostradas, pero un experto en la técnica puede, por supuesto, modificarlas en una pluralidad de formas dentro del alcance de la invención conforme a lo definido por las reivindicaciones. Por lo tanto, la invención no queda limitada a hilos conductores con una sección transversal redonda como se muestra en las dos modalidades anteriores, sino que se puede aplicar a conductores en la forma de una varilla, banda, o barra, es decir, el conductor es alargado con una sección transversal constante redonda o con múltiples esquinas. El conductor aislado puede ser utilizado en devanaos para motores eléctricos, transformadores eléctricos y otro equipo eléctrico en el cual el aislamiento del conductor puede ser expuesto a descargas de corona.

Claims (17)

NOVEDAD DE LA INVENCION Habiendo descrito el presente invento, se considera como una novedad y, por lo tanto, se reclama como prioridad lo contenido en las siguientes: REIVINDICACIONES
1. - Un conductor eléctrico (1) proporcionado con un sistema de aislamiento eléctrico rodeando el conductor eléctrico, el sistema de aislamiento eléctrico comprende una primera capa de aislamiento eléctrico (2) rodeado el conductor y una segunda capa de aislamiento eléctrico (3) rodeando la primera capa de aislamiento eléctrico (2), en donde la segunda capa de aislamiento eléctrico (3) comprende un segundo polímero y un segundo rellenador en la' forma de óxido de cromo (Cr202) , óxido de hierro (Fe203), o una mezcla de óxido de cromo y óxido de hierro, caracterizado porque la primera capa de aislamiento eléctrico (2) comprende un primer polímero y un primer rellenador que comprende nanopartículas dispersadas .
2. - El conductor eléctrico de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el segundo rellenador está presente en una cantidad de 10-40% del volumen de la segunda capa de aislamiento eléctrico, de preferencia 10-30% del volumen de la segunda capa de aislamiento.
3. - El conductor eléctrico de conformidad con la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque el segundo rellenador de aislamiento tiene un tamaño de partícula promedio de 0.005-30 pm, de preferencia 0.010-15 µ?t?, con mayor preferencia 0.15-10 pm.
4. - El conductor eléctrico de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el segundo rellenador de aislamiento tiene una resistividad de 10 -108 ohm m.
5. - El conductor eléctrico de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el segundo polímero es al menos uno de los siguientes polímeros: poliésteres, poliésterimidas , poliamidaimidas , poliésteramidas , poliimidas, poliuretanos , epoxi, y poliamidas .
6. - El conductor eléctrico de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la segunda capa de aislamiento (3) tiene un grosor de 5-50 µp?.
7. - El conductor eléctrico de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el primer polímero es al menos uno de los siguientes polímeros: poliésteres, poliésterimidas, poliamidaimidas, poliésteramidas, poliimidas, poliuretanos, epoxi, y poliamidas .
8. - El conductor eléctrico de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las nanoparticulas son cualquiera de las siguientes: dióxido de silicio, óxido de aluminio, óxido de zinc, dióxido de titanio, titanato de bario, óxido de magnesio y arcilla de montmorillonita .
9. - El conductor eléctrico de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las nanoparticulas en la primera capa de - aislamiento eléctrico (2) están presentes en una cantidad de 1-40% del volumen de la primera capa.
10. - El conductor eléctrico de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las nanoparticulas en la primera capa de aislamiento eléctrico (2) tienen un tamaño de partícula promedio de 1-200 nm.
11. - El conductor eléctrico de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la primera capa de aislamiento eléctrico (2) tiene un grosor (ti) de 20-120 µp?.
12. - El conductor eléctrico de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el grosor (t2) de la segunda capa de aislamiento eléctrico (t2) es 10-25%, de preferencia 15-20% del grosor (ti) de la primera capa de aislamiento eléctrico.
13. - El conductor eléctrico de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el sistema de aislamiento eléctrico es un sistema de aislamiento esmaltado.
14. - El conductor eléctrico de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque una capa adicional está acomodada entre la primera capa de aislamiento eléctrico y la segunda capa de aislamiento eléctrico.
15. - Un motor eléctrico con un devanado o serpentín que comprende un conductor eléctrico de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-1 .
16. - El motor eléctrico de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque el motor eléctrico es un motor eléctrico controlado por convertidor de frecuencia de bajo voltaje.
17. - Un transformador con un devanado que comprende un conductor eléctrico de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-14.
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