電設備線圈的絕緣結構及其製造方法
2023-07-29 09:43:56 1
專利名稱：電設備線圈的絕緣結構及其製造方法
技術領域：
本發明涉及在高溫或高壓力環境下、或在具有高溼度或包含輻射、化學物等的氣氛中，即在不同於正常環境的特殊環境條件下使用的電設備線圈的絕緣結構及其製造方法。具體地，本發明提供了一種使用在這種特殊環境下適用於電動機線圈的絕緣結構及其製造方法。
典型使用在特殊環境條件下的電設備包括密封電動機。通常用於電動機線圈的絕緣材料是一種有機材料，如環氧樹脂，並當這種有機材料用在上述特殊環境時，在短期內將引起材料的顯著降解，及該材料不能長時間地穩定使用。因此，在密封電動機中線圈的絕緣材料被密封層覆蓋，以免絕緣材料直接與上述特殊環境的氣氛相接觸。
通常，在製造密封電動機定子時，定子線圈纏繞的定子鐵心首先被插入及然後被固定在一個形成電動機座的圓柱體中。接著，在圓柱體的兩端安裝側板或端板，側板的外周部分被焊到圓柱體的兩端。然後，將具有其直徑相應於定子鐵心內徑的圓柱形的密封殼插入到定子鐵心內，並從圓柱形的密封殼內部向定子鐵心施加壓力。因此，圓柱形密封殼通過其膨脹被裝入定子鐵心的側板，然後，圓柱形密封殼的兩端部分沿著側板的內圓周部分焊上，側板則以其外圓周被焊到及固定到圓柱體的兩端。
因此，在上述被密封的電動機中，定子鐵心的外圓周、兩端及內圓周及繞在其上的定子線圈分別被機座、側板及密封殼覆蓋，並完全地對其外部隔離。可提供一種密封電動機的定子，其絕緣性能不會受到降低，否則，暴露在外界中將引起絕緣性能變差。
通用的普通電動機與密封電動機之間的大的區別在於在密封電動機中，定子及轉子之間的氣隙加大，這因為密封電動機包括密封殼，因此，電動機的電特性變差，並且線圈產生的熱的輻射傳導降低。這因為密封電動機定子線圈的內、外圓周及兩端被電動機機座、側板及密封殼覆蓋。
因為氣隙磁阻遠大於鐵心磁阻，為補償氣隙的增加，必需增加電功率來補償由磁阻增加引起的損耗，其結果是電動機尺寸不希望的增加。
此外，在密封電動機中，因為包括線圈的絕緣材料被機座、側板及密封殼覆蓋，線圈中產生的熱僅通過鐵心從機座表面散射，冷卻效率顯著變低。
作為對付措施，在線圈周圍的空間中充注熱傳導效率極佳的樹脂材料，以便有效地使線圈中產生的熱傳到機座尤其是，對於大尺寸或大容量的設備必需用這種技術。
在上述樹脂注入方法中，通常的做法是豎起機座，在現在位於上方的側板中開兩個孔，將每個管連接到兩孔中，通過一個管注入樹脂及通過另一個管從內空間中抽氣。更具體地，將注樹脂的漏鬥通過閥連接在一個管上，及將真空泵通過閥連接在另一管上。然後，真空泵工作，及閥打開，抽吸電動機機座、側板及密封殼周圍的內空間，並保持其真空狀態。在此狀態下，打開另一閥，填在漏鬥中的樹脂被導入到機座、側板及密封殼周圍的內空間，以使該空間填充樹脂。
這裡該樹脂是一種熱固性合成樹脂、如環氧樹脂，這種樹脂經過由熱引起的中間膠狀狀態從液態過渡到完全固化狀態。在此情況下，在導致膠狀或固化狀態過程中產生的反應熱引起局部溫度升高，結果是體積膨脹，膨脹產生的應力作用在密封殼的內側。此外，在冷卻過程中由所謂固化抽縮或樹脂抽縮產生的應力在完全固化後直接作用在密封殼材料上。
假定，例如將膨脹係數為9×10-6mm/mm℃外徑為10mm的玻璃圓棒放置在內徑為50mm的管內，並將楊氏模量為34000kg/cm2、抽縮百分率為1.1％及泊松比為0.49的樹脂填充在玻璃棒及管之間的空間中，樹脂在130℃上固化，然後冷卻到20℃，計算出抽縮應力為216kg/cm2，它作用在玻璃圓棒上。
密封殼插在密封電動機的轉子及定子之間，為了獲得滿意的電動機特性，定子和轉子之間的氣隙應儘可能小，因此，使用例如0.1mm至0.3mm的薄片作為密封殼材料。經計算發現，如果使用這種密封殼材料，在約1.5kg.f/cm2應力下密封殼將變形。
由上述可理解，從物理或機械觀點密封殼應儘可能厚，相反地，從磁或電的觀點則應儘可能薄。結果具有一個問題，如果定子及轉子之間的氣隙增大，磁阻也將增大，電動機本身的功率和尺寸必需增大，以對其補償。
本發明的作出是為了解決上述問題，本發明的目的是，提供一種電設備線圈的絕緣結構，它甚至在上述特殊環境中也能使用，而無需用密封殼或類似件覆蓋線圈的絕緣材料，及提供其製造方法。
為了解決上述問題，根據本發明的第一方面，提供了一種電設備線圈的絕緣結構，它具有對插入在鐵心槽中的線圈導體電絕緣的絕緣部分，及其中使用熱塑性絕緣材料來構成絕緣部分，並且熱塑性絕緣材料被整體熔化，以構成絕緣結構。
根據本發明的第二方面，在根據第一方面的電設備線圈絕緣結構中，熱塑性絕緣材料包括從聚四氟乙烯(PTFE)，全氟烷氧基樹脂(PFA)，氟化乙丙烯共聚物(FEP)，乙烯四氟乙烯共聚物(ETFE)，及聚三氟氯乙烯共聚物(CTFE)組成的組中選擇的單種材料或它們的組合材料。
根據本發明的第三方面，在根據第二方面的電線圈絕緣結構中，組合材料是由具有不同熔點的材料組合形成的，在該絕緣結構中，當組合材料中具有較低熔點的材料熔化時具有較高熔點的材料還未熔化。
根據本發明的第四方面，提供了一種電設備線圈的絕緣結構的製造方法，該絕緣結構具有對插入在鐵心槽中的線圈導體電絕緣的絕緣部分，其中使用熱塑性絕緣材料來構成絕緣部分，該製造方法包括製造電設備線圈的工序，將電設備線圈插入到電設備鐵心槽中的工序，及將插入到鐵心槽的電設備線圈與鐵心一起加熱來整體熔化熱塑性絕緣材料的工序。
根據本發明的第五方面，在根據第四方面的電設備線圈絕緣結構的製造方法中，熱塑性絕緣材料是由具有不同熔點的熱塑性絕緣材料組合形成的，在該加熱工序中，當組合材料中具有較低熔點的材料熔化時具有較高熔點的材料還未熔化。
在根據第一至第三方面方面的每個發明中，由於熱塑性絕緣材料被整體地熔化來形成絕緣部分，故甚至在導電液體中也能提供可保持電設備線圈的極佳絕緣特性絕緣結構，而無需使用密封殼或類似件。
在根據第二方面的發明中，由於熱塑性絕緣材料包括從聚四氟乙烯(PTFE)，全氟烷氧基樹脂(PFA)，氟化乙丙烯共聚物(FEP)，乙烯四氟乙烯共聚物(ETFE)，及聚三氟氯乙烯共聚物(CTFE)組成的組中選擇的單種材料或它們的組合材料。故甚至在包含腐蝕氣體如氨的氣氛中也能保持電線圈的極佳絕緣特性。
在根據第四至第五方面方面的每個發明中，可以製造出具有上述極佳絕緣特性的電設備線圈的絕緣結構。
從以下結合附圖的說明中，本發明的上述及其它目的、特徵和優點將會更加被闡明，附圖中以說明例的方式表示本發明的優選實施例。
圖1表示設有本發明電設備線圈絕緣結構的高壓電動機的模繞線圈結構例的截面圖；圖2表示設有本發明電設備線圈絕緣結構的高壓電動機的模繞線圈另一結構例的截面圖；及圖3表示設有本發明電設備線圈絕緣結構的低壓電動機的無規則繞制線圈結構例的截面圖。
以下將參照附圖來描述本發明的實施方案。
實施方案(1)圖1及2是各表示設有本發明電設備線圈絕緣結構的高壓電動機的模繞線圈一結構例的截面圖。在圖1及2中，標記8表示設在定子鐵心9中的鐵心槽，在鐵心槽8中設有使線圈導體電絕緣的絕緣部分。該絕緣部分包括導線絕緣部分2，用於覆蓋導體1的外圍；位於該導線絕緣部分2及另一導線絕緣部分2之間的中間層絕緣部分3；防接地絕緣部分4，用於覆蓋導線絕緣部分2及中間層絕緣部分3的外圍；位於該防接地絕緣部分4及另一防接地絕緣部分4之間的相間絕緣部分5；及位於防接地絕緣部分4外圍及鐵心槽8內周面之間的槽絕緣部分6。
使用了熱塑性材料作為導線絕緣部分2，中間層絕緣部分3，防接地絕緣部分4，相間絕緣部分5及槽絕緣部分6的材料，並且該熱塑性材料被整體熔化以形成該絕緣結構。該熱塑性材料包括從聚四氟乙烯(PTFE)，全氟烷氧基樹脂(PFA)，氟化乙丙烯共聚物(FEP)，乙烯四氟乙烯共聚物(ETFE)，及聚三氟氯乙烯共聚物(CTFE)組成的組中選擇的單種材料或它們的組合材料。下面描述製造包括導線絕緣部分2，中間層絕緣部分3，防接地絕緣部分4，相間絕緣部分5及槽絕緣部分6的的絕緣結構的一個例子。
為了形成在具有線圈材料橫截面積為2cm×5cm的導體1的外圍上的導線絕緣部分2，使用厚度為0.08mm的非燃性聚四氟乙烯(PTFE)帶纏繞兩次，其重疊部分具有1/2帶寬的寬度，以形成特氟隆(Teflon)絕緣導線。該特氟隆絕緣導線被造成如圖示具體形狀的結構，以提供電動機的定子線圈。在形成定子線圈時導體1被切成具體長度，並在此情況下，為了防止PTFE帶變松，對導體1的切割部分吹熱風。以使PTFE帶熱熔，獲得局部熔化和粘接。
為了在形成定子線圈的工序時形成中間層部分(一個導線絕緣部分2及另一導線絕緣部分2之間的部分)中的中間層絕緣部分3，將厚度為0.1mm的、經Teflon處理的玻璃布切成條並插入中間層部分內。然後，將具有厚度為0.08mm的PTFE帶纏繞三次，其重疊部分具有2/3帶寬的寬度，以形成定子線圈的防接地絕緣部分4。帶的纏繞端部以和上述方法類似的方式暫時用熱風熔化並粘接。至此，就形成了用PTEP帶纏繞的定子線圈10。
另一方面，為了事先在定子鐵心9的鐵心槽8中形成槽絕緣部分6，將經Teflon處理的其厚度為0.18mm的玻璃布形成U形，以和鐵心槽8的形狀一致並插入到鐵心槽8中。在鐵心槽8中，接著插入繞有PTFE帶的定子線圈10，並用槽楔7將定子線圈10，10固定在鐵心槽8中。順便地說，在將定子線圈10，10插入鐵心槽8的工序中，將經Teflon處理的其厚度為0.18mm的玻璃布插入到每層定子線圈10的端部以形成相間絕緣部分5，使得每層的定子線圈10不會彼此直接接觸。
如上所述地插入在定子鐵心9的鐵心槽8中的定子線圈10，10與定子鐵心9一起被放在恆溫室中以370℃加熱5小時，然後，將恆溫室的電源關斷，使定子線圈在恆溫室中逐漸冷卻，以完成定子組件。通過在上述恆溫室中以370℃使定子線圈10，10與定子鐵心9一起加熱，作為導線絕緣部分2及防接地絕緣部分4纏繞的PTFE帶，和作為中間層絕緣部分3，相間絕緣部分5及槽絕緣部分6插入的經Teflon處理的玻璃布被整體地熔化並形成對導體1電絕緣的絕緣結構。
雖然，將如上形成的設有定子線圈10，10的定子鐵心(固定組件)浸在80℃的熱水箱的熱水中，並在導體1及熱水之間施加3000V的AC電壓，及對通過絕緣材料的電流的變化進行了兩星期的觀察，未發現能構成顯著區別的變化。
將具有上述絕緣結構的模型線圈與包含1000ppm水的絕緣油一起放置在一個壓力容器中，壓力容器被放置在300℃的恆溫箱中，對壓力容器施加80kg.f/cm2的壓力，並將此狀態保持兩星期。雖然甚至當放置在壓力容器中，在定子線圈10的表面稍有退色，但未發現定子線圈10絕緣電阻的顯著改變。
如上所述，使用PTFE帶作為導線絕緣部分2及防接地絕緣部分4以形成Teflon絕緣，使用Teflon處理的玻璃布作為中間層絕緣部分3，相間絕緣部分5及槽絕緣部分6，及這些絕緣部分被加熱和被整體地熔化並獲得該絕緣結構。因為Teflon是化學穩定的，甚至在包含氨氣的腐蝕氣體氣氛中在絕緣性能上也看不到改變。
PTFE熱塑性絕緣帶被繞在導體1上形成了線圈，但在形成線圈時帶中的應力會隨著帶偏離其繞制位置而變弱，在定子線圈10形成後帶中的大部分剩餘應力由於帶的熱熔而釋放，因此它們彼此緊密地接觸。因此，由於蠕變等引起的帶變差會被消除。
在上述實施例中描述了使用PTFE帶的例子，但當使用從全氟烷氧基樹脂(PFA)，氟化乙丙烯共聚物(FEP)，乙烯四氟乙烯共聚物(ETFE)，及聚三氟氯乙烯共聚物(CTFE)組成的組中選擇的單種材料或包括PTFE在內的它們的組合材料時也能獲得類似結果。
實施方案(2)圖3表示設有本發明電設備線圈絕緣結構的低電壓電動機的無規則繞制線圈結構例的截面圖。標記8表示設在定子鐵心9中的鐵心槽，及在鐵心槽8中設有使定子線圈電絕緣的絕緣部分。該絕緣部分包括用於覆蓋導體1外圍的導體線緣部分2相間絕緣部分5及槽絕緣部分6。
使用了熱塑性材料形成導線絕緣部分2，相間絕緣部分5及槽絕緣部分6，並且該熱塑性材料被整體熔化。該熱塑性材料包括從聚四氟乙烯(PTFE)，全氟烷氧基樹脂(PFA)，氟化乙丙烯共聚物(FEP)，乙烯四氟乙烯共聚物(ETFE)，及聚三氟氯乙烯共聚物(CTFE)組成的組中選擇的單種材料或它們的組合材料。下面描述製造包括導線絕緣部分2，相間絕緣部分5及槽絕緣部分6的的絕緣結構的一個例子。
為了形成在其直徑為1.2mm的鋁導線1上形成導線絕緣部分2，使用厚度為0.02mm的PTFE帶纏繞在鋁導線上一次，其重疊部分具有2/3帶寬的寬度，以形成Teflon絕緣導線。該特氟隆絕緣導線被集聚並形成特定的橢圓形狀，造成隨機布置的定子線圈10。這些定子線圈10被相繼地插入到其中已形成槽絕緣部分6的定子鐵心9的鐵心槽8中，並以與上述實施例1相似的方式用槽楔7固定。由於不同形狀的定子線圈10，10被插在一個鐵心槽8的上部及下部，在上部分及下部分定子線圈10，10之間設置了相間絕緣部分5，因此，上及下定子線圈10，10不會彼此形成直接的接觸。相間絕緣部分5的材料與上述實施方案1中使用的材料相同。
插入在定子鐵心9中的定子線圈10，10與定子鐵心9一起被放在恆溫室中以370℃加熱3小時，然後，將恆溫室的電源關斷，使定子線圈在恆溫室中逐漸冷卻，以完成包括定子線圈的定子組件。通過在上述恆溫室中以370℃使定子線圈10，10與定子鐵心9一起加熱，導線絕緣部分2，相間絕緣部分5及槽絕緣部分6被整體地熔化並形成對定子線圈10，10的導體電絕緣的絕緣結構。
上述定子與分開製造的轉子相組合構成一個電動機。將80℃的熱水注入該電動機內部，並當電動機工作時使熱水在電動機中循環。該電動機能以類似於在大氣中工作的方式正常地工作。在工作前或後未發現絕緣性能的變化。
接著，將銨注入到電動機內，並使其工作在銨氣氛中。通過銨的強迫循環，定子線圈在不同時間有時與液態銨及有時與氣態銨相接觸，但在工作前或後未發現絕緣性能的變化。
在上述實施例中，使用了PTFE帶，但當使用從全氟烷氧基樹脂(PFA)，氟化乙丙烯共聚物(FEP)，乙烯四氟乙烯共聚物(ETFE)，及聚三氟氯乙烯共聚物(CTFE)組成的組中選擇的單種材料或包括PTFE在內的它們的組合材料時也能獲得類似結果。
在上述實施例中，描述了用熱塑性絕緣材料帶纏繞並整體或全面地熔化來形成絕緣結構的例子，但是整體熔化不總是必需的，在某些情況下，絕緣結構可使用熱塑性絕緣材料帶纏繞及部分熔化來形成。
如上所述，根據本發明，可以獲得以下極佳的優點在本發明中，因為熱塑性絕緣材料被整體地熔化來形成絕緣部分，就能夠獲得一種甚至在導電液體中亦可以保持電設備線圈極佳絕緣性能的絕緣結構。
當該熱塑性材料包括從聚四氟乙烯(PTFE)，全氟烷氧基樹脂(PFA)，氟化乙丙烯共聚物(FEP)，乙烯四氟乙烯共聚物(ETFE)，及聚三氟氯乙烯共聚物(CTFE)組成的組中選擇的單種材料或它們的組合材料時，甚至在包含腐蝕性氣體如氨氣的氣氛中也能保持電設備線圈的優異絕緣性能。
根據本發明的方法，可以製造具有上述優異絕緣性能的電設備線圈的絕緣結構。
此外，由於在轉子及定子之間不插入密封殼，它們之間的氣隙可作得儘可能的小，因此，可以減小磁阻及功耗。
另外，在本發明中，因為使用了熱塑性絕緣材料來形成絕緣部分，甚至在其被加熱熔化時也不會對定子施加顯著的力。
再者，在本發明的方法中，因為不需要真空泵及閥，絕緣材料的製造是價廉的。
權利要求
1.一種電設備線圈絕緣結構，它具有對插入在鐵心槽中的線圈導體電絕緣的絕緣部分，其中使用熱塑性絕緣材料來構成絕緣部分，並且所述熱塑性絕緣材料被整體熔化，以構成所述絕緣結構。
2.根據權利要求1的電設備線圈絕緣結構，其中所述熱塑性絕緣材料包括從聚四氟乙烯(PTFE)，全氟烷氧基樹脂(PFA)，氟化乙丙烯共聚物(FEP)，乙烯四氟乙烯共聚物(ETFE)，及聚三氟氯乙烯共聚物(CTFE)組成的組中選擇的單種材料或它們的組合材料。
3.根據權利要求2的電設備線圈絕緣結構，其中所述組合材料包括不同熔點的材料，在所述絕緣結構中，當所述組合材料中具有較低熔點的材料熔化時具有較高熔點的材料還未熔化。
4.根據權利要求1至3中任一項的電設備線圈絕緣結構，其中插在所述鐵心槽中的所述線圈包括具有不同相的定子線圈，及所述絕緣部分包括各覆蓋一個導體外圍構成所述定子鐵心的導線絕緣部分，位於所述定子線圈之間的相間絕緣部分，及位於所述鐵心槽內周面上的槽絕緣部分。
5.根據權利要求4的電設備線圈絕緣結構，其中所述絕緣部分還包括各位於一個所述導線絕緣部分及另一所述導線絕緣部分之間的中間層絕緣部分，和覆蓋位於一個所述定子線圈中的所述導線絕緣部分及中間層絕緣部分的防接地絕緣部分。
6.一種電設備線圈的絕緣結構的製造方法，該絕緣結構具有對插入在鐵心槽中的線圈導體電絕緣的絕緣部分，該製造方法包括使用熱塑性絕緣材料來製造電設備線圈以構成所述絕緣部分的工序；將所述設有熱塑性絕緣材料的電設備線圈插入到所述電設備鐵心槽中的工序及將插入到所述鐵心槽的電設備線圈與鐵心一起加熱來整體熔化所述熱塑性絕緣材料的工序。
7.根據權利要求4的電設備線圈絕緣結構的製造方法，其中所述熱塑性絕緣材料是由具有不同熔點的熱塑性絕緣材料組合形成的，及在所述加熱工序中，當其中具有較低熔點的材料熔化時具有較高熔點的材料還未熔化。
全文摘要
公開了一種電設備線圈絕緣結構及其製造方法,該結構具有對插入在鐵心槽中的線圈導體電絕緣的絕緣部分,其中使用熱塑性絕緣材料來構成所述絕緣部分,並且所述熱塑性絕緣材料被整體熔化,因此該絕緣結構甚至可使用在高溫、高壓、高溼度的環境中及包含輻射、化學物的氣氛中,而無需用密封殼或類似件覆蓋線圈。
文檔編號H02K3/34GK1260574SQ99127799
公開日2000年7月19日 申請日期1999年12月28日 優先權日1998年12月28日
發明者佐藤健一, 青木登 申請人:株式會社荏原製作所