通过流化烧结来制造旋转电机的导线或导体束的优质绝缘的方法

专利名称：通过流化烧结来制造旋转电机的导线或导体束的优质绝缘的方法
技术领域：
本发明涉及旋转电机的绝缘领域。本发明尤其涉及制造定子线圈、罗贝尔杆和呈电磁导体形式的且用于旋转电机的导线或导线束的优质绝缘的方法。
先前技术通常，各种方法被用于旋转电机的导线或导线束的绝缘领域。
在某方法中，由玻璃纤维基体和云母纸构成的带被层层螺旋缠绕在定子引线上，直达获得所需的绝缘厚度。通过随后浸润在环氧树脂中，残留空气被排出所形成的绝缘线圈并且粘住了带层。通过在适当模具中的凝固，绝缘获得了其最终形状。由制造决定地，在该方法中，云母片被定向在带方向上，从而由此在绝缘成品中得到了云母片平行于导线表面的定向。在所谓的“树脂富集”技术中，在带中混入B态环氧树脂，它通过经棒杆热压而凝固。
根据另一个如欧洲专利EP0660336A2所述的方法，用由填有云母的热塑性塑料构成的带缠绕定子引线。在这里，通过缠绕定子引线的热压来进行成形和凝固，其中出现了空气排出、热塑材料熔化和缠绕层粘结。在此方法中，云母片也平行于导线表面地定向。但在任何一种方法中，空气都没有被完全排出。留下了充有空气的间隙和孔，在这些间隙和孔中，在电压加载情况下，出现了nC范围和超出该范围的局部放电。
最后，如美国专利5650031所述地，定子引线也可通过用没有填充物即没有云母的热塑塑料挤压来进行定子引线的绝缘。
但现在，要绝缘的旋转电机导线大多是成杆或线圈形式的复杂形成的结构。导线直线部位于电机的定子槽内。另外，导线弯曲部在与邻近的杆和线圈连接后形成了其两端突出到定子外的绕组端头。在这种情况下，在大型旋转电机的情况下，导线直线部的长度可能超过6米。至今还存在的问题是，绝缘和导线通常有不同的热膨胀系数α，这可能随着工作时间的增加而因热应力导致因绝缘熔化而出现的空洞的绝缘缺陷点，在制造绝缘时，出现缺陷点如气体夹杂。在这种缺陷点处，可能发生局部放电，这导致绝缘损害。在这种情况下，100nC范围内的局部放电活动是非常普遍的。
电机绝缘的可靠工作因这种局部放电活动而至今只能通过垂直于磁场方向定向的云母片的阻碍作用而实现。这样，这阻碍了由空洞起地形成火花击穿通道。通常把2.5kV/mm-2.75kV/mm当作长时间可靠运转的磁场强度的上限。但在中压绝缘或高压绝缘的其它绝缘系统中，有时会明显超过这样的最大值。
因此，例如用于针式绝缘子长期运转的最大磁场为4kV/mm，在针式绝缘子中，填有氧化铝的环氧树脂被用于空气绝缘电路，而其中使用了聚乙烯的高压电缆的最大磁场约为12kV/mm。这些传统绝缘系统的共同点在于，它们在运转负载下不产生局部放电现象。
但是，由于使用云母的目前所用的传统方法和材料已基本上有三十多年之久，因此期望改进现有技术地获得最佳的逐步改进。因此，看起来几乎无法通过改进现有技术，以求发展出一种与现有技术相比可生产时间更短、生产成本更低且环保地制成的优质绝缘，即不使用溶剂，没有辐射以及不产生特殊垃圾，而且这种绝缘没有任何缺陷点或在有缺陷点时也不导致局部放电。
根据本发明，通过具有权利要求1所述特征的制造导线或导线束的优质绝缘的方法来完成此任务。在从属权利要求中给出了本发明的有利改进方案。
通过制造无空洞的导线或导线束的优质绝缘的本发明方法，其中空洞可能在测试负载或运转负载下导致局部放电，不再需要定向的云母片。这样一来，不仅简化了制造方法的选择，而且简化了绝缘材料的选择，这是因为对许多聚合物而言，按照重量百分比超过40％的浓度来加工云母是成问题的。
图面简介下面，参考图中所说的优选实施例来更详细地说明本发明，其中

图1表示根据第一实施范例的本发明方法的主要步骤；图2表示根据第二实施范例的本发明方法的主要步骤；图3是本发明方法的流程图。
用本发明方法获得的绝缘由三层构成。第一层形成内电晕放电保护层，其由导电或半导电填充型聚合物组成。在这里，使用可良好地与紧挨着的绝缘层的聚合物材料复合的聚合物。最好使用与绝缘层中相同的聚合物。
如象在高压电缆中那样，内电晕放电保护层作用是使电界层和机械界层分开。从电方面讲，如果内电晕放电保护层的电势等于在其下面的金属导线的电势，则它是导线的一部分；而从机械方面讲，它是绝缘的一部分。由此保证了在绝缘套和导线之间的剥离部因热交变间隙没有局部放电，这是因为电压没有通过剥离部而降低。
根据本发明的、制造导线或导线束的优质绝缘方法意预满足下列需要1)一方面，制造方法应与原始杆或原始线圈即换位的、非绝缘的、加强的杆或线圈的各自几何形状完全无关。
2)另外，绝缘应是优质的，即与现有技术相比，它具有高达约Tmax＝180℃的更好的热稳定性并且可无损害地承受约5kV/mm的用于长时间工作的最大场。
3)此外，该方法应允许制造公差为Δd/d＜10％的厚度固定的绝缘，即便原始杆或原始线圈的公差相当大，在这里，可以制造出0.3mm-5mm的层厚。
4)为缩短制造时间，每个杆或线圈的生产时间应最多为1-3小时。
由于将通过根据本发明的方法来满足这些需要，人们考虑以传统熔槽法为起点。
例如，在名称为“用合成树脂涂覆金属部件的方法和装置”的美国专利4806388中描述了这种传统的熔槽法。在该文献所述的传统方法中，当金属部件处于由热熔合成树脂组成的混合粉末内时，合成树脂被涂到金属部件的表面上。所用的树脂为由四氟乙烯和乙烯的共聚物(商标AFLON)组成的合成树脂，因为这提供了在熔点区和分解温度区之间的理想狭窄区域。此涂覆材料有非常高的熔点(260℃)以及分解点360℃；因此，在涂覆操作期间内，将要涂覆的部分加热到300℃-340℃。在此方法中，将预热金属部件放入涂覆粉末中。然后，通过感应加热将金属部件加热到高于熔点并低于合成树脂热分解点的温度。由此一来，加热金属周围的某些粉末熔化了并且已熔化的部分作为合成树脂层沉积在加热金属表面上。此外，在此方法中，为使粉末保持液态，将空气吹入其中。在涂覆后，将金属部件自粉末中取出。与其它熔槽法不同地，可以通过感应加热一次达到所需的涂覆厚度。厚度波动最小，这是因为可简单地通过感应加热来控制金属温度。此传统的熔槽法例如被用于制造机动车辆压缩机的树脂涂覆转子。
因此，熔槽法如上述方法要比目前的绝缘法需要更少的加工技术成本。声掉了昂贵的特殊设备如自动缠绕机械、真空/压力容器、冷却树脂液储存装置。它们被尺寸适当的粉末熔槽所代替。因此，明显节约了投资成本，大型罗贝尔杆的生产时间例如缩短为约2小时并且实现了高度自动化。
但在电工方面，熔槽法通常主要被用于电线绝缘以及封闭相当小的发动机定子和转子并被用于金属涂覆。在这两种情况下，与本发明提出要求相反地，不超过几十毫米的绝缘厚度小并且电负荷低。
因此，在本发明的方法中，需要这样修改传统的方法和所用材料，即可以实现更大的绝缘厚度及更高的抗局部放电能力。另外，该方法的目的在于可简单地使用并节省能源。
因而，这样修改传统的方法，即产生无缺陷的涂层是不需要任何特殊材料以及最高加热温度的，因为这两个条件导致生产成本和能源成本提高。
本发明的方法可按照两个替换方式来实现，即如图1、2所示。在这两个实施形式中，在涂覆开始前预热罗贝尔杆或线圈1。通过使涂粉熔化和交联温度来预定预热杆或线圈的温度；在图1所示的情况下，预热温度例如为200℃并因而比所需涂覆温度高了约20℃。为补偿在从炉子或涂覆装置外的加热站送到涂覆装置时的温度损失，需要约高20℃的温度。在替换实施形式中，显著的不同之处在于预热杆或线圈1的加热类型。在图1所示的情况下，用炉子加热2a，而在图2所示的情况下，用直接与杆或线圈1连接的电加热器2b。电加热器2b可成通过围绕导体放置的中频或高频线圈进行感应加热的形式，或成通过杆或线圈直接与电压或低压连接进行电阻加热的形式。
此外，另一个特殊实施例包括使涂覆粉末静电带电。通过这样的方式方法，可实现涂覆粉末更好地粘附在杆或线圈上，尤其是在边缘区内。由此一来，尤其是在边缘区获得了更大的绝缘厚度。
在本发明的方法中，分层地形成绝缘。在涂覆时，将被固定在升降装置4上的预热杆或线圈1浸入粉末熔槽3。最好这样选择粉末熔槽3的直径和深度，即杆或线圈在浸入时与粉末熔槽壁距离至少50mm并可被完全淹没。通过杆或线圈1在粉末熔槽3内的浸没时间来控制涂层厚度。不过，为防止会是可能发生局部放电的缺陷点的夹杂气泡，不使用特殊涂覆材料和更高的生产温度地如此选择浸没时间，即每次浸没获得的层厚不超过0.2mm且最好约为0.1mm，这对应于约1-5秒的浸没时间为使粉末熔槽3内的粉末变得均匀，这促进涂覆均匀，粉末熔槽3还可被搅动、振动或通入超声波。
作为其它措施，粉末熔槽3可配备有使粉末颗粒带静电的高压电极(未示出)。尽管对于本发明方法来说，使粉末带电不一定是必要的，但其有利之处在于，由于局部增强了电场，所以在要绝缘的杆或线圈的尖头和边缘上涂覆上更多的材料。这在工作中是需要的，因为在工作中，在这些位置上的场强也提高了，根据经验，绝缘在那里最易被击穿。
在浸没操作后，使粉末有足够长的时间来完全熔化、流动及直到不再流动地交联。因此，以下要详细说明的粉末胶凝时间是很重要的。
在浸没过程中，罗贝尔杆的杆孔被用作悬吊点。在利用熔槽法时，不能实现杆的附加悬吊或支承，因为这些点是不能涂覆的。因此，熔槽法局限于长度约为3m的短杆，这是因为大型杆浸透太强。这削弱了该方法尤其被用于杆长为10m的涡轮发动机罗贝尔杆的绝缘。而发动机相当短，从而本发明的方法可被用于所有目前的标准电机。另外，在涂覆夹持电机线圈的线圈眼，这些没有绝缘层。线圈眼必需保持非绝缘，这是因为，否则的话，无法保证把装入到定子时所需的线圈可变形性。
在本发明的另一个特殊实施例中，为了在绝缘和完全把电机线圈装在定子中后还使线圈眼绝缘，本发明使用了熔槽法。为此，电机定子垂直定位并且电加热线圈。然后，线圈下端的线圈眼通过把线圈端浸入粉末熔槽而进行涂覆。然后，使定子旋转180°并涂覆定子另一端的线圈眼。
原则上，可热交联的所有塑料即所谓的热固塑料可被用作绝缘材料。在这个应用场合中需要的高达180℃的绝缘热能最佳地通过环氧化物来满足。这些材料由包含至少一种非交联树脂和至少一种固化剂(也有少量的其它外添加物如催化剂、色素等)及无机填充材料的混合物组成。混合物直到至少50℃是固体。熔化和凝固温度及玻璃态转变温度Tg根据树脂和固化剂的化学成分而变。机械强度和介电强度的温度特性曲线接近玻璃态转变温度Tg。如果希望绝缘能被用在热量级H中，则Tg最好应在150℃-200℃之间。显著大于200℃的玻璃态转变温度一方面难于实现，另一方面，导致了材料在室温下易碎。为流化烧结形成的且在环氧物质基础上的H级特殊粉末(无论是填充的还是未填充的)都可在市场上买到。
上述理想的无气泡性不仅取决于方法参数如涂覆厚度，而且取决于材料特性。
重要的是，液态环氧具有足以流动的低粘度并且其胶凝时间足以蒸发掉所有形成气泡的杂质。要求长凝胶时间与迄今使用喷涂烧结技术的常见的粉末涂覆趋势是矛盾的，喷涂烧结技术为获得薄膜涂敷时的长生产时间而通过添加催化剂而把凝胶时间调节得很短，如通常为15秒，但是，可通过减少催化剂含量来顺利地使商用粉末胶凝时间达到≥40秒，这对本发明应用场合来说是足够长了。
在喷涂粉末中，粘性通常为作为独立变量来测量和表示；而是规定了由粘性和凝胶时间产生的所谓过程。如果过程大于30mm，则获得了无气泡层。
为降低价格、提高蠕变强度、减小热膨胀系数并提高绝缘的导热率，原则上希望填充有机填料。与4g/cm3的一致的填料密度有关地，总混合物中的填料部分应该为5％-50％(重量)。可用的填料例如是硅粉、钙硅石、滑石和白垩，其颗粒尺寸约为10μm(平均颗粒尺寸d50)。为制造喷涂粉末，填料与树脂、固化剂和其它添加物混合起来。混合物被研磨成粉末。
通常，在由钢或硬材料(摩氏硬度5-6)制成的装置中进行研磨。使用硬填料如硅粉(硬度7)会导致金属磨损，因此填料最好为亚毫米级的碎片。将这些物质加入绝缘中并由于其针状形状而导致了电磁场强度局部非常强的点，根据经验，在那里可发生电击穿。通过使用“软”填料(摩氏硬度≤4)如白垩灰和/或通过使用d50＜＜1μm的较碎填料如粘土、SiO2、ZnO或TiO2，避免了磨损。
此外，这种碎填料的优势在于，在存在如空洞或金属夹杂这样的缺陷点的情况下，它防止或至少很明显地干扰了电击穿，如在庄斯顿等人的美国专利4760296中或如德国专利申请DE4037972A1中公开的那样。在这两篇公开文献中，通过完全或部分地用颗粒尺寸为纳米级(0.005μm至最大颗粒尺寸0.1μm)的填料来代替粗大填料而获得延长使用寿命的作用。但是，纳米填料具有无法接受的附加特性，即明显增大了混合粉末的熔体粘性，所谓的触变效应。这在粉末制造和其加工期间都产生问题。因而，纳米填料是延长使用寿命的可用替换方式。但对本发明的应用场合来说，事实证明，用平均颗粒尺寸约为0.2μm的TiO2粉末完全或部分地代替粗大填料，这不会导致熔体粘性不利地增大，尽管它也有象纳米填料那样的延长使用寿命的作用。TiO2粉末量至少应为全部混合物的3％并最好至少为5％。
被用于内电晕放电保护层和外电晕放电保护层的导电填料可以通过使用如石墨、碳黑颜料和/或金属粉末这样的导电填料来制造。
现在，具体描述导线或导线束绝缘的本发明方法。
该方法包括下列步骤1)在升降装置上安装杆或线圈在开始涂覆方法时，在步骤S1中将杆或线圈固定到升降装置上。作为被固定到升降装置上的固定点地，在杆的情况下采用杆端，在线圈的情况下采用线圈眼。为了可靠而稳定地将杆或线圈支承在升降装置上，如果在涂覆前通过导体内粘结或通过用带缠绕导体(步骤S0)来预加强杆或线圈，则这是有利的。
2)预热杆或线圈然后，在步骤S2中预热杆或线圈。有两种可选用的加热方法。在步骤2a中，使杆或线圈移入炉中并在那里将其预热到预定的涂覆温度，或者在步骤2b中，杆或线圈与电热器连接并将其加热到所需基层温度。
3)在粉末熔槽中，给杆或线圈涂上内电晕放电保护层在步骤S3中，被固定至升降装置上的预热杆或线圈借助升降装置而降低到填满涂覆粉末的粉末熔槽3中。粉末熔槽3例如是大到足以容纳要涂覆的杆或线圈并装有涂覆粉末的池子。应形成内电晕放电保护曾的涂覆粉末是导电或半导电的环氧物质。环氧粉末层在加热基层上熔化并形成连续液膜。在这种情况下，通过池中停留时间来控制内电晕放电保护层的膜厚。
4)使在杆或线圈上的内电晕放电保护层凝固一旦所需的内电晕放电保护层的涂覆厚度达到如约0.1mm，在步骤S4中，升降装置把杆或线圈提出熔槽。然后，为产生液态绝缘层，再次通过炉子或通过电加热来加热杆或线圈约2分钟。
但是，只有在步骤S0中没有涂有导电或不导电层的带被用于预加强杆或线圈时，才需要上述的涂覆内电晕放电保护层的步骤S3和S4。
5)将绝缘层涂到杆或线圈在随后的步骤S5中，将真正的绝缘涂到杆或线圈。为此，又使在升降装置上的杆或线圈下降到粉末熔槽3中。在这种情况下，粉末熔槽3装有绝缘粉末。在该方法中，绝缘粉末在预热的杆或线圈表面上熔化并形成连续液膜。杆或线圈保持浸没在粉末熔槽3中如约1秒-6秒，直到每次浸没后的理想层厚为≤0.2mm并最好是0.1mm。
6)杆或线圈的中间凝固然后，在步骤S6中，进行绝缘的约2分钟-10分钟的中间凝固，以使可能存在于熔融绝缘粉末中挥发成分有时间跑出。此外，根据已形成的涂覆厚度，或许要重新调整基层温度如杆或线圈的温度。在这里，不接触地进行表面温度检测，在表面温度检测的基础上确定何时必须调节基层温度。例如，这种不接触测量是在杆或线圈位于粉末熔槽中或熔池外时用IR高温计实现的。
7)重复涂覆步骤S5和S6因为在一次涂覆步骤S5和S6中无法实现所需的绝缘层厚度，所以，接着在步骤S7中，重复把绝缘层涂到杆或线圈上的涂覆步骤，直至达到所需的绝缘厚度。
8)给杆或线圈涂覆外电晕放电保护层在绝缘层涂覆后，一旦知道绝缘层涂覆厚度达到所需的绝缘厚度，则在作为杆或线圈的最后涂覆的步骤S8中，涂覆外电晕放电保护层。该外电晕放电保护层由导电环氧物质组成，它也以粉末形式包含在粉末熔槽中。外电晕放电保护层涂覆的具体方法步骤对应于针对内电晕放电保护层涂覆所述的步骤S3和S4。
9)使杆或线圈后凝固作为杆或线圈涂覆的最后步骤S9地，在炉内或通过电加热使涂层凝固长达约20分钟-60分钟，以增加其强度。
因此，本发明公开了可以简单、低成本、无需专用设备地制造导线或导线束的无缺陷点的绝缘的方法。
总之，本发明公开了制造在旋转电机的导线或导线束上的优质绝缘的方法，其中在连续多次浸入粉末熔槽中，每次层厚度≤0.2mm地涂覆上内电晕放电保护层、绝缘层和外电晕放电保护层。烧结和凝固发生在约200℃下，以便可以使用满足这种旋转电机的导线或导线束的绝缘要求的材料。此外，通过该制造方法且尤其是所选的各层厚度来保证各层没有缺陷，从而没有出现会导致绝缘损害的局部放电。
权利要求
1.一种制造选转电机的导线或导线束的优质绝缘的方法，它包括(S1)把一要涂覆的导线或导线束安装在一升降装置上，(S2)把该导线或导线束预热到一预定的基层温度，(S3)通过借助该升降装置下降到一个盛有第一涂覆粉末的粉末熔槽中，直到获得≤0.2mm的层厚地给该导线或导线束涂覆上一内电晕放电保护层，(S4)一旦达到所需的涂覆厚度，则通过该升降装置把该导线或导线束提出该粉末熔槽，并通过加热使该内电晕放电保护层凝固，(S5)通过借助该升降装置下降到盛有第二涂覆粉末的粉末熔槽中，直到获得≤0.2mm层厚地给该导线或导线束涂覆上一绝缘层，(S6)在将该导线或导线束提出该粉末熔槽后，通过加热使导线或导线束的绝缘层中间凝固，(S7)重复涂覆步骤S5和S6，直到涂覆上由多个绝缘层膜构成的理想的绝缘层厚度，(S8)按照步骤S5和S6给该导线或导线束涂上外电晕放电保护层，其中在该粉末熔槽中装有第三涂覆材料，及(S9)通过加热使该导线或导线束的整个绝缘凝固。
2.如权利要求1所述的方法，其中，该导线或导线束可以是例如导杆、罗贝尔杆或线圈。
3.如权利要求1或2所述的方法，它具有其它步骤(S0)，即在涂覆该导线或导线束开始前，内粘结导线或用一条带缠绕以便预加强。
4.如权利要求3所述的方法，其中，当在步骤(S0)中用一个带有一半导电层或导电层的带来缠绕时，其中所述带同时形成内电晕放电保护层，不需要涂覆内电晕放电保护层的步骤S3和S4。
5.如先前权利要求1-4之一所述的方法，其中，在步骤(S2)中，将基层加热到约比涂覆粉末熔点高20℃的温度。
6.如先前权利要求1-5之一所述的方法，其中，在步骤(S2)中，该加热发生在一炉内或通过导线或导线束的电加热来进行。
7.如权利要求6所还的方法，其中，在步骤(S2)中，通过使用直流或低频的电阻加热来进行该电加热。
8.如先前权利要求1-7之一所述的方法，其中，所用第一涂覆粉末为导电或半导电的热交联塑料，所用第二涂覆粉末为绝缘粉末，所用第三涂覆粉末为导电或半导电的热交联塑料。
9.如权利要求8所述的方法，其中，B态的环氧树脂被用作导电或半导电的热交联塑料。
10.如先前权利要求1-9之一所述的方法，其中，在步骤S3中，涂覆粉末在被加热的导线或导线束上熔化，所涂覆的层厚由在粉末熔槽内的停留时间和工件温度来控制。
11.如权利要求10所述的方法，其中，在粉末熔槽内的停留时间由自动涂覆机械的控制装置来控制。
12.如先前权利要求1-11之一所述的方法，其中，步骤(S6)包括通过一测量装置来测量要涂覆的导线或导线束的表面温度，当所测的表面温度降到预定基层温度以下时，重新调整基层温度。
13.如先前权利要求1-12之一所述的方法，其中，在步骤(S9)中，通过一炉子或通过电加热器来进行加热。
14.如权利要求2所述的方法，其中，步骤(S1)包括在杆端处夹持杆或在线圈眼处支持线圈。
15.如权利要求2或14所述的方法，进一步包括步骤(10)，即在是线圈的情况下，在线圈被固定后，垂直定位电机定子并电加热线圈并将线圈眼浸没于粉末熔槽中以使其两侧涂上环氧物质，或者在是杆的情况下，电阻加热电机线圈并通过喷涂烧结使杆两端绝缘。
16.如权利要求1-15之一所述的方法，它还包括其它步骤，即使涂覆粉末带上静电，从而将更多的材料涂到要涂覆的导线或导线束的尖端或边缘上。
17.如权利要求16所述的方法，其中，在使涂覆粉末带静电的步骤中，通过设置在粉末熔槽上的高压电极进行静电带电。
全文摘要
本发明公开了制造旋转电机的导线或导线束的优质绝缘的方法，其中，通过连续多次浸没于粉末熔槽中，每次层厚度≤0.2mm地涂覆上内电晕放电保护层、绝缘和外电晕放电保护层。烧结和凝固发生在约200℃下，以便可以使用满足这种旋转电机的导线或导线束的绝缘要求的材料。此外，通过该制造方法且尤其是通过所选的各层厚度保证了各层无缺陷，因此不可能出现会导致绝缘损害的局部放电。
文档编号H02K15/12GK1437787SQ00819232
公开日2003年8月20日 申请日期2000年12月21日 优先权日1999年12月28日
发明者T·鲍曼, J·尼恩博格, J·索普卡 申请人:阿尔斯托姆(瑞士)有限公司