RU2842011C1 - Электрический обмоточный провод - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области электротехники, а именно к изолированным проводам статоров электродвигателей. Технический результат заключается в повышении стойкости провода к воздействию масел, повышении механической прочности, а также обеспечении высокого уровня пробивного напряжения и теплоотвода при минимальной толщине изоляции. Технический результат достигается тем, что медная токопроводящая жила обмоточного провода покрыта изоляционным слоем, который выполнен в виде обмотки, полученной монолитизацией полиимидной пленки. Упомянутая пленка дополнительно содержит терморазмягчающийся слой на основе термопластичного полиимида, в который добавлены наночастицы диэлектрического материала размером от 15 до 200 нм. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области электротехники, а именно к изолированным проводам, применяемым для высокого температурного класса, которые могут быть использованы для обмоток электродвигателей, подвергаемых воздействию повышенных температур, в частности для статоров погружных насосов.

Уровень техники

Из уровня техники известен провод обмоточный, содержащий токопроводяшую жилу из изолированных проволок, изоляция проволок выполнена из полиимидной пленки с двухсторонним фторопластовым покрытием с термосвариваемыми поверхностями (патент РФ №178395, опубл. 05.04.2018). Данный известный провод обладает недостаточным температурным индексом и массогабаритными характеристиками.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является создание обмоточного провода, обладающего улучшенными электро-механическими свойствами.

Изобретением обеспечивается достижение следующего комплексного технического результата: повышение стойкости провода к воздействию масел, моноолитизация изоляционного слоя без пропитки компаундами, высокая механическая прочность, высокий уровень пробивного напряжения и теплоотвода от токовой нагрузки при минимальной толщине изоляции.

Указанный технический результат достигается тем, что электрический обмоточный провод, содержащий медную токопроводящую жилу, покрытую изоляционным слоем в виде обмотки из полиимидной пленки, упомянутая обмотка получена монолитизацией упомянутой полиимидной пленки, при этом упомянутая пленка дополнительно содержит терморазмягчающийся слой на основе термопластичного полиимида, в который добавлены наночастицы диэлектрического материала размером от 15 нм до 200 нм.

Перечень чертежей

На Фиг. 1 показано поперечное сечение провода.

Осуществление изобретения

В области электротехники выделяется класс электрических машин, работающих в экстремальных условиях - высокая температура, воздействие агрессивных сред, высокие нагрузки. Примером таких машин являются погружные скважинные насосы.

К работающему в тяжелых условиям оборудованию предъявляются повышенные требования. Так, обмоточные провода статоров погружных насосов должны обладать высокой стойкостью к воздействию органических агрессивных сред (например, масла). Изоляция таких проводов должна быть как можно тоньше, для улучшения теплоотвода при токовой нагрузке. Минимальная толщина изоляции позволяет увеличить количество витков в пазах обмотки, имеющих ограниченный объем. Это особенно необходимо для электрических машин, работающих в ограниченном пространстве, например, в скважинах. Для таких условий необходимо обеспечить максимальные удельные показатели мощности и производительности.

Все компоненты погружных насосов эксплуатируются в условиях вибрационной нагрузки высокой интенсивности, что требует повышенной прочности обмоточного провода в условиях механических вибраций.

Прочность провода складывается из прочности частей провода (токопроводящей жилы и изоляции), а также из величины адгезии между частями провода - между токопроводящей жилой и изоляцией и между витками изоляционного материала. Дальнейшее увеличение прочности провода происходит при стекловании изоляционного материала с образованием монолитизированного покрытия.

Монолитизация слоев полиимидной пленки может быть осуществлена за счет сплавления адгезионных слоев легкоплавкого покрытия, нанесенных на основной слой.

Выполнение основного и дополнительного адгезионного слоев из одного и того же материала обеспечивает их термодинамическую совместимость и высокую адгезионную прочность, что обеспечит целостность обмотки и исключит ее расслаиваемость. Обеспечение монолитизации устраняет необходимость применения адгезионных праймеров и последующей компаундной пропитки изоляции. В результате монолитизации образуется высокопрочная химически стойкая изоляционная обмотка провода, сохраняющая свои свойства в широком интервале температур эксплуатации.

При монолитизации протекают ряд механо-реологических процессов, включающих уплотнение места контакта слоев пленки и молекулярную диффузию слоев полиимида (подобную термической сварке или спеканию) с последующим охлаждением и отвердеванием материала обмотки.

Провод обмоточный содержит медную токопроводящую жилу 1, покрытую изоляционным слоем в виде обмотки 2. Использование меди обеспечивается повышение электрических и механических характеристик провода за счет улучшение адгезии с полиимидным изоляционным слоем. Повышение адгезии возникает за счет верхнего окисленного слоя медной жилы.

Изоляционный слой выполнен из полимерного термореактивного материала, в качестве которого используется полиимидная пленка, имеющая дополнительный терморазмягчающийся слой на основе композиционно наполненного термопластичного полиимида. В отличие от адгезионных фторопластовых слоев на полиимидной основе выполнение всех элементов пленки из термореактивной полиимидной основы и термопластичного полиимидного терморазмягчающегося слоя обеспечивает максимальную монолитизацию провода.

Необходимые свойства обеспечиваются добавлением в состав терморазмягчающегося полиимидного слоя наночастиц диэлектрического композиционного наполнителя. В качестве дисперсного наполнителя используются частицы диэлектрических твердых, тугоплавких и прочных материалов с плотностью не менее 1,7 г/см³. Наиболее предпочтительно использовать в качестве дисперсного наполнителя кислотные или амфотерные оксиды, склонные к стеклованию (оксиды кремния, алюминия, фосфора, бора и др.), а также их смеси. Такие материалы имеют высокие диэлектрические свойства и под воздействием электричества не нагреваются. Важным является то, что наночастицы из указанных материалов имеют низкую влажность и химически инертны. Низкая химическая активность повышает короностойкость провода, поскольку при коронном разряде образуется озон, разрушающий традиционные изоляционные материалы.

В качестве дисперсного наполнителя предпочтительно использовать оксид кремния, оксид алюминия или их смеси. Суммарное количество композиционного наполнителя составляет от 0,1 масс. % до 5 масс. %. При более высоком содержании повышается риск агломерации частиц, что приведет к анизотропии свойств.

Обмотка провода получается термической сваркой слоев полиимидной термореактивной пленки с полиимидным терморазмягчающимся адгезионным слоем. При воздействии температуры происходит размягчение адгезионного слоя пленки и его спекание с соседним слоем с последующей монолитизацией. Добавление композиционного наполнителя обеспечивает высокую маслостойкость и повышает пробивное напряжение.

Толщина изоляционного слоя предпочтительно не должна превышать 0,3 мм.

Монолитизация слоев полиимидной пленки с добавлением диэлектрических наноматериалов обеспечивает температурный индекс провода не менее 250 градусов Цельсия.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Медную токопроводящую жилу обматывают спирально пленкой, имеющей полиимидную основу и полиимидный терморазмягчающийся адгезионный слой. Толщина основы пленки нецелесообразно делать более 25 мкм, а толщину адгезионного слоя более 7 мкм. При больших значениях усложняются условия спекания слоев и последующей монолитизации. Минимальное количество слоев может составлять три слоя, в зонах перекрытия слоев - от четырех до шести. Также возможен вариант, когда количество слоев в зонах перекрытия слоев составляет шесть. При большем количестве слоев уменьшается эластичность при изгибе вокруг стержня с диаметром, равным трехкратному диаметру провода. Наиболее оптимальным является выполнение обмотки из четырех слоев пленки. В зависимости от выбора количества слоев пленки, ее толщина также может варьироваться с учетом применяемой технологии монолитизации.

В состав термопластичного полиимидного терморазмягчающегося слоя добавляют от 0,1 масс. % до 5 масс. % дисперсного композиционного наполнителя, в качестве которого целесообразно использовать, например, наночастицы оксида кремния, оксида алюминия или их смеси. Размер наночастиц предпочтительно выбрать от 15 нм до 200 нм. При большем размере частиц уменьшается суммарная площадь поверхности контакта между ними и полимерной матрицей.

Диэлектрические наночастицы распределяются и диспергируются в полиимидной терморазмягчающемся слое, смачиваются расплавом полимерной матрицы и повышают прочность и устойчивость изоляции к воздействию агрессивных сред, при этом диэлектрические наноматериалы не ухудшают электрических свойств изоляции. Добавка наноматериалов в указанном количестве и с указанным размером частиц не допускает их агломерации в полимерной матрице, что обеспечивает изотропность свойств изоляции.

Добавка наночастиц обеспечивает температуру стеклования не ниже 311 градусов Цельсия.

Токопроводяющую жилу с наложенной обмоткой далее подвергают термическому воздействию, в результате которого происходит размягчение адгезионного слоя и его молекулярное взаимодействие с основой соседнего слоя пленки. Возникшая в результате молекулярной диффузии адгезия обеспечивает прочное соединение слоев пленки, а последующая монолитизация места контакта разогретого полиимида создает монолитную структуру провода, не требующую дополнительной пропитки компаундами.

Механическая прочность провода при истирании такова, что позволяет выдержать не менее 1000 циклов возвратно-поступательных ходов иглы при нагрузке на иглу 7,8Н. Конструкция провода обеспечивает величину участка потери адгезии при растяжении провода на 10% не более 0,5% при испытаниях согласно ГОСТ ИЕС 60851-3. Провод также позволяет сохранять стойкость к воздействию масел при температуре до 311 градусов Цельсия. Испытаний на температурный индекс проводились в соответствии с МЭК 60172.

Испытания согласно ГОСТ 2990-78 подтвердили значение пробивного напряжения не менее 18,5 кВ.

Степень монолитизации провода такова, что электрическое сопротивлении изоляции достигает значения 2200 МОм/км при испытаниях согласно ГОСТ 3345-76.

Испытания на сохраняемость электро-механических свойств при воздействии масел проводились на образцах, длиной 0,8 м. U-образные образцы испытывали напряжением 6 кВ переменного тока частотой 0 Гц в течение одной минуты в воде при нормальной температуре. Затем погружали провод в масло и выдерживали при температуре 150 градусов Цельсия в течение 4 суток. Затем образцы выдерживали при нормальной температуре в течение двух часов и подвергали комплексу испытаний, которые подтвердили сохраняемость электромеханических характеристик провода и его целостность.

Примеры осуществления полезной модели

Пример 1

Электрический обмоточный провод: материал токопроводящей жила - медь. Изоляция - обмотка из полиимидной пленки с толщиной основы 20 мкм и толщиной терморазмягчающегося полиимидного слоя 5 мкм. Дисперсный наполнитель: оксид кремния в количестве 2,7%, размер частиц 30-60 мкм. Температурный индекс провода составил 263°С. Механическая прочность на истирание - 1130 циклов хода иглы при нагрузке на иглу 7,8 Н. Величина пробивного напряжения 23,4 кВ.

Пример 2

Электрический обмоточный провод: материал токопроводящей жила - медь. Изоляция - обмотка из полиимидной пленки с толщиной основы 20 мкм и толщиной терморазмягчающегося полиимидного слоя 5 мкм. Дисперсный наполнитель: оксид алюминия в количестве 3,0%, размер частиц 30-60 мкм. Температурный индекс провода составил 257°С. Механическая прочность на истирание - 1080 циклов хода иглы при нагрузке на иглу 7,8 Н. Величина пробивного напряжения 21,9 кВ.

Пример 3

Электрический обмоточный провод: материал токопроводящей жила - медь. Изоляция - обмотка из полиимидной пленки с толщиной основы 20 мкм и толщиной терморазмягчающегося полиимидного слоя 5 мкм. Дисперсный наполнитель: оксид алюминия в количестве 2,0%, оксид кремния в количестве 2,0%, размер частиц 30-60 мкм. Температурный индекс провода составил 268°С. Механическая прочность на истирание - 1280 циклов хода иглы при нагрузке на иглу 7,8 Н. Величина пробивного напряжения 24,7 кВ.

Пример 4

Электрический обмоточный провод: материал токопроводящей жила - медь. Изоляция - обмотка из полиимидной пленки с толщиной основы 20 мкм и толщиной терморазмягчающегося полиимидного слоя 5 мкм. Дисперсный наполнитель: оксид бора в количестве 1,8%, размер частиц 30-60 мкм. Температурный индекс провода составил 262°С. Механическая прочность на истирание - 1235 циклов хода иглы при нагрузке на иглу 7,8 Н. Величина пробивного напряжения 22,6 кВ.

Claims (3)

1. Электрический обмоточный провод, содержащий медную токопроводящую жилу, покрытую изоляционным слоем в виде обмотки из полиимидной пленки, упомянутая обмотка получена монолитизацией упомянутой полиимидной пленки, при этом упомянутая пленка дополнительно содержит терморазмягчающийся слой на основе термопластичного полиимида, в который добавлены наночастицы диэлектрического материала размером от 15 нм до 200 нм.

2. Провод по п. 1, отличающийся тем, что монолитизация слоев полиимидной пленки обеспечивает температурный индекс провода не менее 250 градусов Цельсия.

3. Провод по п. 1, отличающийся тем, что терморазмягчающийся слой имеет температуру стеклования не менее 311 градусов Цельсия.

Images