CN1060878C - 电绝缘线圈及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是利用易获得的简单材料及简单方法来得到有优异防潮防水性能的电绝缘线圈，从而提供诸如水泵驱动马达、轧制轧件用的牵引马达等适用于室外的转动电机。电绝缘线圈3至少在其暴露并延伸于芯子4的一侧之外的部分上，被涂覆有含氟覆层。由于能在电绝缘线圈的表面提供利用氟原子的防水性的均匀憎水层，根据本发明能得到有优异防潮和防水性能的电绝缘线圈和转动电机。
Description
本发明涉及电绝缘线圈及其制作方法，并更具体地涉及适用于轧制轧件的牵引马达、工业转动电动机器等要求抗高电压和抗热及抗潮或防水的电绝缘线圈及其制造方法。
由于轧制轧件牵引马达及一般工业转动机器对紧凑性及重量方面的要求，用在这类应用中的电绝缘线圈需有相当高的绝缘性能，以能在很高的电压和温度下运行。另一方面，为保证有效地利用能量，最近的转动电机器不一定以增加容量为目的，而是朝着根据不同的负荷要求通过在运行中控制单元的数目的多个小型机器的并行运行发展。
鉴于这种背景，制造商越来越强调发展能在短时间内以低成本大量生产小容量转动电动机器的制造方法，这种机器具有能抗更高电压和更高温度的电绝缘线圈。
根据日本专利申请〔公开号No．3-77203(1991)〕中公布的一种现有的转动电动机器绝缘线圈，通过把绝缘带绕在一导体上，制备了一个绝缘基底层，它随后被用浸泡树脂浸透，并被固化以形成绝缘线圈。另外，由于采用多官能环氧树脂的环氧浸泡树脂最近的发展成果，已能通过采用能在超过200℃的温度下连续工作的环氧树脂来提供电绝缘线圈。至于这类浸泡树脂的组分，通常是把反应较慢的、诸如酸酐之类的硬化物混合在树脂中。
这类浸泡树脂的优点，是当其被置于架上时其反应时行得极慢，但在被加上了用于与所述浸泡树脂一同用到绝缘基底层的固化加速剂后，该浸泡树脂的反应速度加快。采用此方法，就能反复施用该浸泡树脂，从而大大改善了施用该浸泡树脂的效果。在大多数情况下，采用了一种咪唑催化剂，作为适用于这类应用的固化加速剂。
一方面，为实现用于在短时间内制造出所需的小容量转动电动机器的设备，需要尽量缩短浸泡树脂的固化进程。为此，且考虑到电绝缘线圈的绝缘的耐热性大部分取决于浸泡树脂本身的耐热性，故需要提高固化温度，以防造成无效的固化，并保证即使在固化进行被缩短时也能得到预定的耐热性。
然而，在用传统的咪唑固化催化剂作硬化加速剂时，尽管这种加速剂有如前所述的增加浸泡树脂的效果的优点，但由于固化催化剂本身固有的低耐热性，故在形成如日本专利申请公开No．3-77203(1991)中提出的、超过200℃的耐热性的绝缘时，必须在通过10小时的100℃+3小时的150℃+10小时的230℃的步骤固化浸泡树脂时，对该树脂进行缓慢冷却，其中在温度最低的初始阶段，用了充分的时间使硬化加速剂与树脂充分反应。
在此方面，要求固化时间超过20小时，故它成了对在短的生产时间内生产转动电动机器的限制。
另一方面，近来开发了一种添加化合物型的硬化物，它象致力于克服具有低耐热性的所述咪唑固化催化剂的缺点的日本专利申请公开No．3-37220(1991)所提出的那样，通过咪唑和树脂的加入反应而获得；另外还提出了把这种硬化物用作固化催化剂的方法。
然而，尽管这种添加产品能保证较高的耐热性，但其分子量较大，故熔点较高，而且有难溶于溶剂和树脂这一缺点。
因此，除了象日本专利申请公开No．3-37220(1991)中所提出的直接混合这样的应用(它能有充分的混合时间从而能进行实际的实施)之外，不可能把该技术用于诸如转动电动机器的绝缘；在这种场合由于需要反复地浸泡树脂，固化催化剂无法与浸泡树脂直接混合，因而在绝缘层中无法保证均匀的反应，故绝缘层可能会有不均匀的特性，从而阻碍了其实际应用。
另一方面，随着新绝缘材料的开发，转动电动机器中的电绝缘线圈的绝缘得到了很大改善，从而极大地促进了机器可靠性的改进。但在大多数场合，由于用于泵的感应马达、用于轧制轧件的牵引马达等都用于室外，并经常在潮湿的环境中工作，它们的运行环境比装在室内的普通感应马达更为严酷。因此，对于用在这种环境下的转动电动机器，均要求在防潮和防水方面有高度可靠性。特别地，用于这类用途的电绝缘线圈的绝缘，是需要深入地探讨的重要课题。
作为用于制作用在这类环境下的转动电动机器的电绝缘线圈的先有技术，在日本专利申请公开No．58-72348(1983)中公布了如下的方法和装置，其方法包括下列步骤：在云母绝缘层的外表面上形成一热熔附着憎水绝缘层、在其上形成一热收缩绝缘层、随后将其装到芯子上、进行整体的浸泡处理。在日本专利申请公开No．1-122349(1987)的先有技术部分中也公布了一种方法，用于制作转动电动机器，后者包括带有导体上的绝缘层的绕组、带有用于***所述绕组的开口的芯子、设在所述开口的外周边部分中以牢固地固定绕组的槽、及待***所述槽的楔，且在组装上述部件之后进行整体包漆(varnish)浸泡；其中的方法包括以下步骤：在楔上涂覆固化催化剂以至少在楔在包漆浸泡之前与芯槽相接触的整个表面部分上固化浸入的油漆，从而防止油漆流出；或者，在借助整体浸泡方法制作的电绝缘线圈的情况下，该方法包括以下步骤：实施两次包漆处理，或进行转动硬化等，以提供更厚的漆包层，从而也起到憎水绝缘层的作用。
另外，日本专利申请公开No．58-182443公布了一种先有技术，其中为减小因转动电动机器(如蒸汽轮发电机)的巨大转子芯的开口中安放的线圈的热收缩而引起的压力，并为防止线圈中的塑性变形，在线圈的表面上加了一层含氟的覆层；该线圈被用于这样的转动机器上，即其线圈被容放在转子芯的开口中并由楔通过径向的绝缘块支持。
在诸如日本专利申请公开No．3-77203中公布的上述先有技术中，未考虑具体的措施来减小硬化进程以缩短转动电动机器中所用的电绝缘线圈的生产时间。此外，在日本专利申请公开No．3-37720中，未特别注意转动电动机器中用的电绝缘线圈。因此，仍然成问题的是，用于在高压和高温下运行的、目前急需的转动电动机器的电绝缘线圈，仍不能象前述两种方法所夸张地幻想的那样，在较短的生产时间内制作出来。
另一方面，由于制作憎水绝缘层所需的憎水绝缘带绕制过程除了云母带绝缘处理之外还要求绕组加工，因而包括了大量的材料成本及工序数目。另外，这种方法要求两次包漆浸泡，否则从工作效率看转动干燥就不充分；此外它们还有设备庞大之类的问题。
另外，由于在待装在蒸汽轮机的巨大转子芯的开口中的线圈表面上设置含氟覆层的先有技术方法的目的是为了改善开口衔铁中及绝缘块(即主绝缘)中定位的多个线圈间的可滑动性，从而降低线圈热收缩时产生的压力并阻止线圈因离心力而发生塑性变形，因而难于把前述的技术用在象感应马达、用于轧制轧件的牵引马达等其中绝缘线圈从芯子的一侧部分地伸出芯子的转动电机的转子中。
本发明就是考虑到以上情况而提出并实施的，且其第一个目的是提供能在高压和高温下运转并能在较短的生产时间内制造出的电绝缘线圈及其制作方法。
另外，本发明的第二个目的，是提供有优异耐潮湿或防水性能的电绝缘线圈及其制造方法；该目的的实现，是通过在电绝缘线圈的整个部分上采用易于获得的材料和简便的方法；该线圈被设在转动电机的芯子上，且线圈的一部分暴露芯子的一侧之外；该目的也可通过在所述暴露部分上形成上述材料而实现。
为实现上述第一个目的，用于浸泡根据本发明的电绝缘线圈的浸泡树脂包括带有主组分和硬化剂的热固浸泡树脂与用于加速热固浸泡树脂的硬化的硬化加速剂的混合物，且其中硬化加速剂是通过加入固化催化剂和树脂而得到的添加反应物。
此外，为了保证能在绝缘层内为硬化加速剂即添加化合物提供均匀的反应，浸泡树脂的一种组分及硬化加速剂的树脂成分是用相同的树脂制成的。
另外，作为处理添加化合物即硬化加速剂的一种方法，提出了制备事先均匀地涂覆有该化合物的绝缘带，或是把该绝缘带在使用前浸在一种溶解所述添加化合物的溶剂中以使绝缘带在使用前被均匀地涂覆上该添加化合物。
这就是说，由于浸泡树脂由具有主组分和硬化剂的热固浸泡树脂与用于加速热固浸泡树脂的固化的硬化加速剂的组合物组成，可借助硬化加速剂控制树脂的反应速度，从而能反复地施加该浸泡树脂。
此外，通过使硬化加速剂成为固化催化剂和树脂的添加化合物，固化加速剂能有改进的耐热性，从而能通过提高固化温度而大大减少固化时间。
还有，通过使浸泡树脂的一种组分和硬化加速剂的树脂组分为同一树脂，在浸泡树脂与硬化加速剂间不用事先混合硬化加速剂和浸泡树脂就能保证改进的相容性，从而即使在绝缘基底层内也能确保均匀的反应。
另外，由于硬化加速剂能事先被均匀地加到绝缘带上，或绝缘带可在使用前被通过侵入溶解该添加化合物的溶剂即硬化加速剂中而得到处理，故能借助上述的简单方法获得具有耐高压和耐高温性能的电绝缘线圈。
另一方面，为实现本发明的前述第二个目的，待***芯子的开口中的电绝缘线圈(其中线圈的一部分伸出芯子的一侧)包括通过在其上绕制的绝缘模式云母带而形成的绝缘层，并至少在所述暴露部分的最外层上加有含氟覆层。
另外，本发明包括下列步骤：提供带有开口和待***所述开口的电绝缘线圈的芯子，其中线圈的一部分在所述芯子的一侧伸出其之外；通过把绝缘膜或云母带绕在所述电绝缘线圈上而形成一绝缘层；随后把如上述绝缘的所述电绝缘线圈***所述芯子的开口中；实施所需的包漆处理；用含氟覆层涂覆至少电绝缘线圈的所述暴露部分。
作为上述制作的方法的一个变形，在达到同样效果的前提下，该变形可包括下列步骤：在电绝缘线圈上绕上绝缘膜或云母带；随后施加防水的含氟覆层；再把其上形成有所述绝缘层的电绝缘线圈***芯子。
另外，也可在施加含氟覆层之前进行包漆处理。
因此，由于含氟层可通过用适当溶剂稀释而施加，故它可被均匀涂覆在象电绝缘线圈那样的复杂表面上，并可为电绝缘线圈的表面提供包含在覆层中的氟原子的独特特性，即最不易与外界的物质(如水)发生反应的倾向。换言之，由于在绝缘线圈表面上形成有防水层，能得到具有优异防潮或防水性能的电绝缘线圈。结果，可得到较佳的转动电机；它能在要求防潮或防水的严格条件下工作。
通过采用根据本发明的电绝缘线圈及其制造方法，实现了下列效果和优点，其中由于待浸入并固化在经分级绝缘而绕制的导体及绕在该导体上的绝缘层中的热固浸泡树脂包括主组分和硬化剂，且由于用于加速前述热固浸泡树脂的固化的硬化加速剂是包括固化催化剂及该树脂的添加化合物，故能借助该硬化加速剂来控制树脂的反应速度，并能反复地施加该浸泡树脂，此外由于硬化加速剂是固化催化剂和该树脂的添加化合物，故增强了硬化加速剂的耐热性，可提高其硬化温度从而大大缩短其固化时间，从而即使在大大缩短硬化进程的情况下仍能保证提供与传统类型的具有同样耐高压和耐高温性能的电绝缘线圈。
另外，根据本发明的另一实施例，通过利用易获取的简单材料以及把含氟覆层加到电绝缘线圈的表面上以利用氟原子固有的防水性为该表面提供均匀的憎水层的简单方法，可方便地得到具有优异的防潮或防水性能的电绝缘线圈，从而能得到能用于室外或高湿度的严格环境中的、诸如用于水泵的感应马达及用于轧制轧件的牵引马达的转动电机。
图1显示了使用本发明的电绝缘线圈的转动电机的半剖视图；
图2是根据本发明的电绝缘线圈的一个实施例的示意图；
图3是流程图，显示了制作根据本发明的实施例A和实施例B的过程；
图4是流程图，显示了制作本发明的实施例C的过程；
图5是本发明的一个实施例的电绝缘线圈的平视图；
图6是沿图5的AA线取的剖视图；
图7本发明的转动电机的部分正视图；
图8是沿图7中BB线取的剖视图；
图9显示了用于制作本发明的电绝缘线圈的制作工艺流程图。
参照附图及下列例子，将更详细地描述本发明。
首先，图1中显示了本发明的电绝缘线圈所适用的感应马达即转动电机的示意结构。
参见图2，标号11表示由轴承18可移动地支撑的转轴。另外还装有绕转轴11转动的转子芯16和转子线圈17。另一方面，包括定子线圈15和定子芯14的定子与转子相对地设置且二者间有预定的间距，且定子由定子支架12支撑。另外，13表示支撑轴承18的轴承托架，而19表示用于提供冷却机器内部的冷却空气的冷却风扇。
随后，将结合图2及图3来描述适于被用作具有前述结构的转动电机中的定子线圈15或转子线圈17的、根据本发明的电绝缘线圈的一个实施例(以下称之为实施例A)；其中图3显示了其制作流程。
参见图3的流程，三官能的环氧树脂(如Yuka-Shall Epoxy公司制造的YL-932)11和双官能的环氧树脂(如Yaka-Shell生产的Epikte828)12被按1∶2的重量比进行混合，以形成树脂13。随后树脂13和一种酸酐(如日立株式会社制造的MHAC-p)14被按0．9比1的当量比混合，以产生浸泡树脂。
随后，通过绕制多个匝，制备出有二重玻璃绝缘16的二重玻璃绕组17，其中绝缘16对导体起中间绝缘的作用。另外，通过浸入含有2％浓度的硬化加速剂21(如Yuka-Shell Epoxy KK生产的Epikure P-200)的溶液22中，制备出了由耐热膜衬垫的云母带(有0．13T的厚度)及玻璃平编织带(厚度为0．1T)组成的绝缘带23，从而进行硬化加速处理24，并随后使溶剂22挥发；其中加速剂21是通过咪唑固化催化剂和Epikote828的添加反应获得的添加反应产物，而Epikote828是与前述浸泡树脂15的一种成分相同的环氧树脂。
然后，在如图2所示的导体1的外部周围，半重叠地绕三遍前述耐热膜衬垫的云母带，然后，半重叠地绕一圈玻璃平织带，以形成绝缘层2。
随后，在步骤19用上述浸泡树脂15对绕组进行真空浸泡，随后，按3小时160℃+10小时230℃的硬化工序进行热硬化20，以制出电绝缘线圈3的最终产品。
下面，形成了本发明的电绝缘线圈的另一实施例(以下称实施例B)；它与实施例A的不同如下：
(1)对于其硬化加速剂，采用了一种不同类型的硬化加速剂(Yuka-Shall EpoxyKK制作的Epikure-100)，它是通过咪唑固化催化剂和Epikote828的添加反应而生成的添加反应产物；其中Epikote828是与前述浸泡树脂的组分中包括的相同的环氧树脂。
还形成了本发明的电绝缘线圈的另一实施例(以下称为实施例C)，其与实施例A之不同处在于：
(1)参见图4，在此实施例中用了云母带，它是通过事先在步骤25均匀地施加Epikure P-200以供2．5g／m2的覆层而制备的，该覆层被与绝缘带23上的浸泡树脂一同使用，而带23是用耐热带衬垫的云母带制作的。
另外，为比较起见，形成了一例先有技术的电绝缘线圈，它与本发明的前述实施例的区别在于：
(1)采用了一种咪唑固化催化剂(如日本Shikoku Kasei公司制造的2E4MZ)作硬化加速剂。
(2)所用的硬化工序是：10小时的100℃+3小时的150℃+10小时的230℃。
下面，在表1中出示了实施例A、B、C和先有技术的例A的比较结果，其中绝缘层的击穿电压，是通过把电极绕在绝缘层外面而得到的测量值。另外，绝缘层的玻璃转换温度Tg，是从上经历了电介质击穿的电绝缘线圈绝缘层上切下的样品获得的测量值。
表一
结果，证实了本发明的电绝缘线圈的实施例A、B和C的绝缘层的击穿电压与先有技术绝缘线圈的绝缘层的击穿电压处于同一水平，且本发明的绝缘层的玻璃转变温度Tg有超过200℃的高耐热性。
如上所述，本发明的每种实施例都有如下优点，即即使在硬化进程仅为传统工序的一半时，也能方便地制作出具有大致相当于传统水平的高耐压和高耐热性的电绝缘线圈。
另外，虽然本发明的上述实施例仅被用于单独加工电绝缘线圈的过程，已证实当在浸泡树脂处理之前把电绝缘线圈装入芯子并随后使电绝缘线圈连同芯子一同得到整体的浸泡树脂处理时，也能获得同样效果。
下面将给出用于实现本发明的第二个目的的实施例。
图9显示了制作电绝缘圈3以实现本发明的第二个目的的制作流程图。在本发明的此实施例中，制作绕制导体31的、以双股绕了几匝(最好五遍)的玻璃覆层铜线被以图5所示的那样绕制，并在步骤316成形。在下一步骤，由诸如聚酯膜衬垫的云母带构成的绝缘带32a被半重叠地在绕制导体31上；绕三遍；导体31被制成图6所示的形状，以形成绝缘层32。另外，在其上半重叠地绕了一遍玻璃带以完成绝缘层32，从而形成电绝缘线圈33。
在下一步骤，制备了芯子34、由酰胺纸制作的开口衬垫36、及用环氧玻璃迭片制作的楔37。随后，前述电绝缘线圈33被***形成在芯子34上的多个开口35中，并使线圈33的两侧部分(在图7中只显示了一侧部分)暴露延伸在芯子34的两侧之外。此时，在设置了开口衬垫36以介入在开口35的内周壁及电绝缘线圈33之间的情况下，楔37被***设在各开口35的外周围的槽中。随后，***各开口35的相应电绝缘线圈33在芯子外的部分被连在一起。随后，设置一承载装置38，其方式是使与电绝缘线圈的绝缘层32相同的云母带半重叠地在SUS制成的一个环上绕一遍，在其上用玻璃速半重叠地绕一遍以提供另一绝缘；它随后被装到线圈上，并受到一遍包漆处理40并通过静止干噪而硬化。
随后，含氟覆层(如Asahi Glass Coat and Resin株式分社制作的Bonnflon #1000)被喷涂到电绝缘线圈33、芯子34的整个部分等上，从而造出电绝缘线圈39的最终产品。
利用前述芯子34及电绝缘线圈39的最终产品，根据一种典型方法制作出转动电机。
另一方面，为证实本发明的有效性并为了比较，制作了一具有抗潮电绝缘线圈的先有技术转动电机，其中利用环氧浸泡varnish(而不是含氟覆层)被施加了两次，以在有与前述实施例相同结构的装置上给出较厚的层，从而提供一憎水绝缘层。
随后，在经历湿热破坏实验之后，测定两种转动电机的电绝缘线圈的绝缘性质。一个实验周期中的破球实验条件是：4天200℃热破坏实验+20小时40℃、95±5％的吸湿破坏实验。在进行了十个循环的上述实验之后，两种电绝缘线圈均被浸入水中24小时，随后测量它们浸在水中时的绝缘电阻。结果，证实在水中浸泡24小时后二者均保持的超过2000MΩ的绝缘电阻。
从上述结果，证时了根据本发明的仅包括施加含氟覆层的方法，就能制造带有具有足够的防潮防水性能的电绝缘线圈的转动电机。
很容易理解的是，本发明不仅限于本发明的上述实施例，而是在其发明范围和精神之内包括了许多的修正等等；其中可包括诸如单独浸泡方法，它单独地进行绝缘线圈上的包漆处理并把线圈装在芯中，只要绝缘线圈在单独的包漆处理之后被覆上含氟覆层，并随后被装入芯子中，或在单独的包漆处理后且在装入芯子之后以同整体浸泡法中相同的方式把含氟覆层加到芯子和电绝缘线圈的整个部分上，以实现制作电绝缘线圈。
另外，对于开口衬垫、楔等所用的最佳材料，它们并不限于前面所述的那些，而是包括已用于并适合于本发明目的的任何材料，简而言之，我们希望本发明不限于描述的细节(除非另有具体说明)，而是应在如所附权利要求书所确定的精神和范围内作广义的理解。
Claims (6)
1．一种电绝缘线圈，包括：通过级间绝缘而绕制的绕制导体、绕在所述导体上的绝缘层、待浸泡并在其中固化的热固型浸泡树脂、及用于加速该热固型树脂的固化的硬化加速剂，其特征在于：所述热固浸泡树脂包括一主成分和一固化剂，且其中所述硬化加速剂包括一固化催化剂和一树脂的添加化合物；且所述硬化加速剂的树脂成分与上述的浸泡树脂的一种主要成分相同；另外，上述浸泡树脂包括：一种三官能环氧树脂、一种双官能环氧树脂和一种酸酐，而上述硬化加速剂包括：与上述浸泡树脂中相同的双官能环氧树脂和一种咪唑固化催化剂。
2．如权利要求1的电绝缘线圈，其特征在于：所述热固浸泡树脂是通过一环氧树脂和一酸酐硬化剂化合而制备的酸酐硬化环氧树脂。
3．如权利要求1或2的电绝缘线圈，其特征在于：所述硬化加速剂是一咪唑固化催化剂和一环氧树脂的添加化合物。
4．一种制作电绝缘圈的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：通过绕制一绝缘带而在借助级间绝缘而绕制的绕制导体上形成一绝缘层，该绝缘带上事先均匀地被覆上了添加反应产物，该产物是通过一固化催化剂和一树脂的添加反应而获得的；用包括一主成分和一硬化剂的热固树脂浸泡所述绝缘层。
5．一种制作电绝缘线圈的方法，其特征在于包括下列步骤：通过绕制一绝缘带而在通过级间绝缘而绕制的导体上形成一绝缘层，其中该绝缘带已被浸入在包含一种添加反应产物的溶剂中，该产物是通过一固化催化剂与一树脂间的添加反应而获得的；用包括一主成分和一硬化剂的热固树脂浸泡所述绝缘层。
6．一种转动电机，包括：定子；装在所述定子的开口中的定子线圈；以与所述定子线圈磁耦合的方式设在转子开口中的转子线圈；及可转动地被与所述定子同心地支撑的转子，其特征在于：所述定子线圈或转子线圈包括借助级间绝缘绕制的绕制导体；绕在所述导体上的绝缘层；待浸泡并固化在其中的热固浸泡树脂；及用于加速所述热固树脂的固化的固化加速剂，其中所述热固浸泡树脂包括一主成分和一硬化剂，且其中所述硬化加速剂是包括一固化催化剂及一树脂的添加化合物。
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