Слюдяная лента, имеющая максимальное содержание слюды
Изобретение относится к области электротехники, в частности к электроизоляционному материалу, который образован из слоя стекловолокна с расположенным на нем слое слюды и к способу его получения. Слой стекловолокна содержит нескрученную стекловолоконную нить. Это может быть плетеная стеклоткань. Материал предпочтительно применяется для изолирования электрических проводников, таких как провод, подходящий для применения в высокотемпературных средах и катушках для применения в высоковольтных электрических двигателях и генераторах. Техническим результатом изобретения является возможность получения более тонкого изоляционного материала без ущерба для механических или электрических свойств, особенно прочности к растяжению. 5 н. и 14 з.п. ф-лы, 3 табл.
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
По данной заявке испрашивается приоритет в соответствии с предварительной заявкой США № 60/580,489, поданной 16 июня 2004, содержание которой включено в настоящее описание посредством ссылки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Изоляция электрических проводников в электрических установках претерпела значительное улучшение после разработки первых машин XIX столетия. Поскольку возникла потребность предоставить большие и более эффективные машины для промышленного и коммерческого применения, системы изоляции, используемые конструкторами, эволюционировали для того, чтобы предоставить большую выдерживаемую прочность и, кроме этого, занимать меньшее пространство в машине. Необходимо помнить, что большинство электрических машин сделаны из электропроводящего материала, магнитного материала и системы изоляции. По существу магнитный материал и электропроводящий материал представляют собой два активных материала, которые определяют рабочие характеристики машины и нагрузочную способность, а изоляция присутствует только для гарантирования того, что электричество течет только в предварительно определенных каналах. Таким образом, необходимая изоляция должна занимать минимум пространства и, кроме этого, предоставлять необходимую изоляцию между соседними электрическими проводниками и между проводниками и любыми соседними материалами, которые присоединены к корпусному потенциалу.
В прошлом электрические машины традиционно использовали лаковые, эмалевые компаунды или стекловолоконную намотку для покрытия отдельных проводников требуемой первичной жилы или для изоляции "от витка к витку" отдельных проводников. В особенности в ротационных машинах вышеупомянутые проводники сворачивали в катушки, каждая катушка обеспечивалась второй изоляционной средой, и эта изоляция имела форму изолирующей ленты или обертки, обернутой вокруг группы отдельных проводников, которые формировались в предварительно определенном виде с образованием катушки. Лаки, которые удовлетворительно функционировали в ранних машинах с низким напряжением, постепенно заменялись эмалями, и совсем недавно полимерными материалами, такими как полиэфиры, полиэфирамиды, полиэфирамидоимиды и полиимиды притом, что упоминается только небольшое количество коммерчески доступных покрытий проводника.
Изоляция катушки эволюционировала от хлопковой ленты, обернутой слоями методом "кромка на кромку", чтобы обеспечить необходимую изоляцию, к битумному изолированию, которое включало в себя обертывание внахлест катушки лентой, покрытой компаундом, основанном на битуме, которое далее покрывали слоем слюдяных хлопьев. Хлопья слюды обеспечивали изоляционную устойчивость к явлению, общеизвестному как "коронный разряд", который имеет тенденцию быть более трудным для решения, по мере того как увеличивали рабочие уровни напряжения ротационных машин. Постепенно, стекловолоконные ленты стали применять как носитель для хлопьев слюды и множество полимерных материалов применяли для создания адгезии, необходимой для удержания хлопьев слюды на месте на ленте. Обычно такие ленты известны как слюдяные ленты.
В одном способе изолирование катушки состоит в обматывании катушки традиционными технологиями навивания внахлест и впоследствии помещении ее в устройство формирования катушки. Способ инпрегнирования вакуумом и давлением (VPI) применяли для импрегнирования ленточной катушки изолирующим материалом, таким как неотвержденный полимерный материал для заполнения всех пустот и щелей при перехлестном изолировании, при этом катушку нагревали для отверждения композитной катушки и изоляции по полимеризационному способу. Альтернативный способ для изолирования катушек электрических машин состоит в обматывании катушки или жил слоистой лентой, которая обильно покрывалась полимерной смолой "B"-стадии в стандартном способе кромка на кромку, до тех пор, пока не наносилось желаемое число оборотов на катушку или жилу и затем на катушку воздействовали теплом и давлением при температуре от около 160°C до приблизительно 180°C для того, чтобы обеспечить загустение полимерного материала катушки или жилы. В течение операции нагревания и прессования вязкость полимерного материала "B"-стадии сначала падала, и избыток смолы выжимали из катушки прессом, использовавшимся для придания катушке ее конечного вида.
Слюдяная лента отличается по композиции, согласно которой применяли способ для производства изолированной катушки. Для способов VPI применяли ленты, которые имели относительно низкое содержание смолы. Ленты являлись весьма гибкими, не склонными к адгезии и сухими, и отличались необычной емкостью адсорбции. Вследствие этого их применяли для высоковольтных машин (до 1000 МВА). Для получения лент, которые способны к инпрегнированию, листовая слюда может импрегнироваться эпоксидной смолой в среде растворителя и затем соединяться с основой. Альтернативно твердая смола может быть напылена или на слюдяное полотно, или прямо на основу, а затем два компонента могут вместе образовывать ламинат при действии давления и тепла. Содержание смолы типично находится между 3 и 25%, основываясь на общей массе ленты. В случае не-VPI способов ленты обычно приготовлялись из листовой слюды, которую тщательно ипрегнировали эпоксидной смолой. Содержание смолы, как правило, находилось между 25 и 50% по отношению к общей массе ленты. В течение производства эпоксидная смола частично отверждалась на стадии B.
В генераторах высокого напряжения, таких как применяемые для генерирования электричества, или высоковольтных двигателях все более возрастающие требования для выдерживаемого напряжения любого данного материала для изоляции ведут к увеличению толщины изоляции и количества навитых слоев. Однако, по мере того, как толщина увеличивается, теплоперенос между обмоткой и ламинированной сердцевиной статора ухудшается и в то же время это ведет к проблемам при рассеянии избыточного тепла. Более того, при любой данной геометрии статора обмотка должна проектироваться с небольшим поперечным сечением проводника, что приводит, таким образом, к понижению генерируемой мощности. Соответственно, одной целью изобретения являлось предоставить улучшенный изоляционный материал, который имеет как улучшенные диэлектрические параметры (выдерживаемое напряжение), так и улучшенные термические параметры (тепловая устойчивость).
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Неожиданно было обнаружено, что композит слюда/стекло, основанный на слое стекловолокна, составленный из нескрученной нити, имеет улучшенные изоляционные свойства, если применяется в больших электрических машинах или для изоляции провода при очень высокой температуре. В одном аспекте настоящее изобретение относится к электроизоляционному материалу, который включает в себя слой стекловолокна и расположенный на нем слой слюды, где стеклоткань включает в себя нескрученную нить.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к электроизоляционному материалу, который включает в себя слой стекловолокна и слой слюды, расположенный на слое стекловолокна, при этом слой стекловолокна состоит из нескрученной нити. Слой стекловолокна может быть стеклотканью, в особенности плетеной тканью, или может быть слоем параллельных стекловолоконных волокон или жил. В предпочтительном варианте осуществления электроизоляционный материал представляет собой слюдяную ленту.
Стекловолокна для применения в электроизоляционном материале по настоящему изобретению является составленным из нескрученной, также называемой «свободной от скручиваний» и «с нулевым скручиванием» стекловолоконной нити, как описано в патенте США № 6581257 ( Burton et al.), содержание которого включено в настоящее описание посредством ссылки в полном объеме.
Патент впервые описывает способ для изготовления основного пучка из нескрученных жил. В традиционном способе, который приводит к скрученной нити, держатель паковки с нитью фиксируется так, что нить вращается вокруг внешней или внутренней окружности паковки, и закручивание передается нити. В способе согласно патенту Burton паковку с нитью вращали с линейной скоростью операции. Нить травили способом, по которому бухта нити не вращалась и не сообщала скручивание нити. Эта нить может быть применена к плетеной ткани, которая является более тонкой и прочной, в то же время приводя к продуктам с улучшенными электрическими и термическими свойствами по сравнению с традиционной стеклотканью, составленной из скрученных нитей.
Нескрученная нить является более подобной ленте, чем подобной канату, как в случае традиционных скрученных нитей, и приводит к более плоской, более тонкой ткани с гладкой поверхностью. Волокна, которые составляют нить, имеют обычно только около 5 микрон в диаметре. Способ для выработки ткани из нескрученной нити также отличается от традиционных способов для плетения стекловолоконной нити, в которых конечное отделочное покрытие ткани может наноситься, когда волокна разматываются из паковки. Это приводит к более ровной ткани, которая является по меньшей мере такой прочной, как ткани, сделанные из традиционных нитей.
Слой стекловолокна типично представляет собой плетеную стеклоткань, но неплетеные ткани могут применяться, когда ткань достаточно прочная и тонкая. Волокна или жилы, составленные из нескрученной нити, могут также применяться в слое стекловолокна; в этом случае электроизоляционный материал по настоящему изобретению представляет собой слюдяную ленту волоконного типа. Плетеная ткань, которая является особенно приемлемой для применения в электроизоляционных материалах по настоящему изобретению, доступна от Dielectric Solutions, East Butler, Pennsylvania под торговой маркой GlasFab® Direct как ткань сорта 1297 или 1299.
Электроизоляционные материалы, и особенно слюдяные ленты, составленные из нескрученной стекловолоконной нити, предоставляют значительные преимущества, которые не легко достигаются с традиционными скрученными нитями, в особенности в качестве изоляции для катушек высокотемпературных высоковольтных электрических двигателей и проводов для применения в высокотемпературных средах. Эти преимущества включают в себя более высокое содержание слюды в ленте при той же толщине, как у традиционных лент, или более тонкую изоляцию при том же содержании слюды, высокую прочность к растяжению, более низкое содержание смолы и улучшенную стойкость к напряжению.
Нескрученные нити являются более плоскими, чем скрученные нити, когда вплетаются в ткань, и ткань является более тонкой, чем ткань, составленная из скрученных нитей. Это означает, что для данной конечной толщины типового композита стеклоткань/листовая слюда может быть добавлено больше листовой слюды в композитную ткань. Поскольку именно листовая слюда предоставляет желаемые характеристики изоляционного композита, может быть желательно существенно увеличить содержание слюды. Например, типовая композитная ткань должна иметь 2 мила стеклоткани и 3 мила листовой слюды. С применением ткани, составленной из нескрученной нити, та же композитная ткань может быть перепроектирована до 1,2 мила ткани и 3,8 мила листовой слюды. Это увеличение содержания слюды на 27%. Другой путь для рассмотрения состоит в исследовании отношения слюда-стекло. В первом примере отношение слюда-стекло составляет 1,5 по сравнению с 3,2 в примере плоской нити. Такое увеличение первичного компонента изоляции может позволить производителям двигателей и генераторов увеличивать нагрузку на изоляцию и добавлять больше меди в конструкцию. Для данного размера машины, это может позволить большую выходную мощность. В других случаях, может быть желательно уменьшать толщину изоляции. Более тонкое изолирование стенки на катушках генератора может улучшать термическую проводимость и давать возможность агрегату функционировать более холодным, что может приводить к улучшению эксплутационной долговечности. Путем замещения стандартной стеклоткани на стеклоткань, составленную из нескрученной нити, может быть получен более тонкий изоляционный материал, без ущерба для механических или электрических свойств, особенно прочности к растяжению.
Нескрученные волокна не рассекают каждая другую в трикотажном переплетении и, следовательно, более тонкая ткань типично имеет более высокую прочность к растяжению, чем ткань той же толщины и составленная из скрученных нитей. В форме композита это означает, что улучшенное отношение слюда-стекло не приводит к ущербу для прочности к растяжению, что должно иметь место для стеклоткани из традиционной круглой нити. Это существенно, поскольку композиты листовая слюда-стекло требуют высокой эластичности для конечного применения потребителями.
Нескрученные волокна предоставляют значительно большую площадь поверхности для связывания ткани с листовой слюдой, чем ткань, основанная на скрученной нити. Связь на поверхности между стеклотканью и листовой слюдой часто является критической точкой в течение применения потребителями. Следовательно, необходимо попытаться максимизировать это поверхностное связывание. Естественная геометрия нескрученной нити в ткани приводит к значительно улучшенной связи по отношению к тканям, основанным на скрученной нити.
Общее содержание смолы, применяемой в электроизоляционном материале по настоящему изобретению, по отношению к листовой слюде типично меньше, чем у традиционных материалов, поскольку объем стекловолоконного слоя является небольшим. Это может приводить к понижению стоимости. Кроме того, понижение в объеме органических материалов типично приводит к улучшенным рабочим характеристикам изоляции, устойчивости к напряжению и лучшей термической проводимости изоляции.
Для электроизоляционного материала по настоящему изобретению слой слюды ламинировали на слой стекловолокна посредством применения по меньшей мере одной полимерной смолы, и обычно две или более смол применяли для связывания слоя слюды со стеклотканью. Полимерная смола может представлять собой термоусадочную смолу, например эпоксидную смолу. В предпочтительном варианте осуществления слой слюды и слой стеклоткани импрегнировали эпоксидной смолой различного молекулярного веса, полученной из растворителя, и затем соединяли вместе.
Слой слюды электроизоляционного материала по настоящему изобретению типично находится в форме листовой слюды, хотя могут также применяться хлопья слюды, клочки, или осколки. Применяли мусковит или флогопит, обычно имеющиеся в распряжении. Флогопит имеет более высокие термические свойства и коэффициент термического расширения. Листовая слюда может являться кальцинированной листовой слюдой или бумагой, дезинтегрированной-интегрированной водой (некальцинированной). Типовой способ производства для кальцинированной листовой слюды состоит в следующем: во-первых, руду слюды кальцинировали при, например, 700-1000°C, для удаления инородных веществ и раскалывали в куски предварительно определенного размера. Затем струя воды направлялась на куски слюды, таким образом получая тонкодисперсные частицы слюды. Смесь перемешивали в воде, что вело к дисперсии слюды. Затем дисперсию использовали в способе получения бумаги на ткани и высушивали для получения листовой слюды. Толщина слоя слюды в электроизоляционном материале по настоящему изобретению типично находилась в диапазоне от около 2 мил (50 мкм) до приблизительно 10 мил (250 мкм), предпочтительно от около 2 мил до приблизительно 6 мил (150 мкм) для применения в обмотке лентой катушек и полустержней, в которых композит действует как основная корпусная изоляция. Для обмотки лентой отдельных проводников желательна тонкая лента и в таких применениях толщина слоя слюды типично находится в диапазоне от около 0,5 мил (12 мкм) до приблизительно 10 мил, предпочтительно около 1 мил до приблизительно 4 мил (100 мкм) и более предпочтительно от около 1 мил до приблизительно 3 мил. Толщина стеклоткани типично находится в диапазоне от около 0,5 мил до приблизительно 10 мил, предпочтительно от около 0,8 (20 мкм) до приблизительно 5 мил (125 мкм). Смолы для применения в производстве электроизоляционного материала по настоящему изобретению выбираются согласно критериям рабочих характеристик, требующихся для конечного применения, включая термические, механические и электрические свойства смолы. Например, IEEE 275 формулирует процедуру для исследования механических и электрических свойства ламинатов в условиях теплового старения и механического давления; в данной области известны другие процедуры. Любая система смолы может применяться так долго, как это определено с применением звуковой инженерной оценки. Подходящие системы смолы включают в себя термоусадочные эпоксидные смолы, в особенности эпоксидные фенольные новолачные смолы, бутадиеновые смолы, полиэфиры, силиконы, бисмалеоимиды и цианатные эфиры. Примеры приемлемых эпоксидных смол включают в себя бис(3,4-эпокси-6-метил-циклогексилметил) адипинат, винилциклогексан диоксид или глицидные эфиры полифенольной эпоксидной смолы, такой как бисфенол диглицидил-эфирная эпоксидная смола, фенолформальдегидая новолачная полиглицидилэфирная эпоксидная смола, эпоксикрезольные новолаки или их смеси. Содержание смолы может варьировать от около 3% до приблизительно 25% по массе, предпочтительно от около 5% до приблизительно 18% по массе в лентах для применения в способе VPI. Для способов, которые требуют ленты, имеющие более высокое содержание смолы, содержание смолы типично находится в диапазоне от около 25% до приблизительно 50% по массе, предпочтительно от около 27% до приблизительно 45% по массе.
В некоторых вариантах осуществления электроизоляционный материал по настоящему изобретению дополнительно содержит компаунд или композицию, способную к ускорению отверждения системы эпокси-ангидридной смолы. Такие материалы применяются в VPI способах, в которых слюдяные ленты с ускорителями в них импрегнируются VPI-эпоксидной смолой, содержащей ангидрид кислоты. Ускоритель содержится в ленте в стехиометрическом соотношении по отношении к ангидриду в VPI-эпоксидной смоле. Типичные металлические ускорители включают в себя нафталат цинка, октоат цинка, октоат меди, октоат хрома и октоат олова. Третичные амины, такие как трис(диметиламинометил)фенол, также эффективны, равно как имидазолы, такие как этилметилимидазол. Ангидриды в смоле могут включать в себя: аддукт малеинового ангидрида и метилциклопентадиена (ангидрид метилнадиковой кислоты), надиковый ангидрид, гексагидрофталевый ангидрид, додецилянтарный ангидрид, фталевый ангидрид и пирометиликовый ангидрид.
Электроизоляционный материал по настоящему изобретению может производиться по любому из традиционных способов, известных в данной области. Такие способы описаны в Патентах США № 4704322, № 4286010 и № 4374892, содержания которых включены в настоящее описание посредством ссылки в полном объеме. Основной способ для получения слюдяной ленты по настоящему изобретению состоит в импрегнировании смолой листовой слюды и/или стеклоткани и соединении вместе двух слоев.
Полимерная пленка, например полиэфирная или полиимидная, может включаться в электроизоляционные материалы по настоящему изобретению, как правило, на одну или обе ее внешние поверхности. Полимерный мат может также применяться взамен или в дополнение к полимерной пленке. Полимерный мат типично составляется из неплетеной ткани, в особенности из полиэфирной неплетеной ткани, имеющей толщину около 0,8-3 мила. Пленка или мат защищают слой слюды от повреждения в процессе нанесения. Кроме того, это может быть полезно для того, чтобы предоставить защиту от повреждения коронным разрядом изоляции отдельных проводников и, таким образом, материал, устойчивый к коронному разряду, может добавляться к изоляционным материалам для некоторых применений. Патент США № 5989702 и патенты Канады № 1168857 и № 1208325 предоставляют примеры прибавления различных компаундов, таких как частицы субмикронного размера окиси алюминия или окиси кремния к полимерным композициям, применяемым для покрытия отдельных проводников или к полимерным пленкам. Примером применимой полимерной пленки, содержащей материал, устойчивый к коронному разряду, является KAPTON®CR от DuPont. Прибавление частиц окиси алюминия или окиси кремния может также улучшать характеристики теплопереноса изоляции проводника.
Способ производства изолированного электрического проводника по настоящему изобретению включает в себя обертывание электрического проводника тонким электроизоляционным материалом, как описано выше, в особенности слюдяной лентой и нагревание обернутого проводника для отверждения смолы. В частности, проводники, такие как катушки для ротационных электрических машин, могут быть навиты традиционными технологиями навивания внахлест и помещены в устройство формирования катушек. Способ VPI может применяться для импрегнирования ленточных катушек с подходящим изоляционным материалом, таким как неотвержденная полимерная смола для заполнения всех пустот и щелей в изоляции, наматываемой внахлест. Катушка может быть затем нагрета для отверждения композитной катушки и изолирования по полимеризационному способу. Альтернативный способ состоит в обматывании катушки слюдяной лентой в способе кромка на кромку, до тех пор, пока не нанесено желаемое число оборотов на катушку или жилу, и затем применении тепла и давления для того, чтобы вызвать загустение полимерного материала катушки или жилы. В течение операции нагревания и прессования вязкость полимерного материала "B"-стадии сначала падала, и избыток смолы выжимали из катушки прессом, использовавшимся для придания катушке ее конечного вида.
Для изолирования отдельных проводов с применением композита листовая слюда-стеклоткань может быть использовано преимущество тонкого стекловолокна для получения желаемой более тонкой изоляции. Кроме того, в том же допустимом пространстве более тонкое изолирование обеспечивает пространство для большего количества меди, без понижения в количестве слюды в изоляции, что приводит к большей выходной мощности. Кроме того, из-за высокой прочности к растяжению стеклоткани прочность к растяжению композитной изоляции является той же, или даже более высокой, чем у традиционной слюдяной ленты, применяемой как изоляция кабеля. Ткани, основанные на скрученной нити, вызывают сильные выступы в слюдяных композитах в обернутых проводниках. Нескрученная нить приводит к более гладкому и более тонкому покрыванию. В случае изолированного круглого провода гладкая поверхность желательна во время экструзии на проводник. Конечный экструдированный слой на проводе может быть более тонким и гладким. Смолы для применения в высокотемпературном изолировании кабеля, выбранные для работы в высокотемпературных условиях применения, типично представляют собой силиконовые смолы, хотя может применяться любая смола, которая соответствует критериям рабочих характеристик для применения.
Кабель, провод или проводник, пригодный для работы при высоких температурах, может быть получен путем обворачивания проводника, такого как медный провод, слюдяной лентой по настоящему изобретению. В некоторых применениях обернутый комплект может быть нагрет для отверждения смолы в слюдяной ленте. Электроизоляционные материалы для высокотемпературной электропроводки типично основаны на силиконовых смолах. Патенты США № 4034153 и № 6079077 описывают способы для производства изолированного кабеля с применением традиционных слюдяных лент, содержание которых включено в настоящее описание посредством ссылки. Должно быть замечено, что слои пластиковой пленки, и/или дополнительные слои слюдяной ленты, как описано в патенте США № 4034153, необходимы в способе для получения изолированного кабеля по настоящему изобретению. Высокотемпературные электрические проводники типично удовлетворяют требованиям UL 5107, 5127 или 5128, или IEC 33l, или 332 и могут работать при температурах до 450°C, предпочтительно до 600°C для бытовых проводок и токоведущего провода, и до 750°C, предпочтительно до 1100°C, для силовых кабелей, центральных кабелей, сигнальных и контрольных кабелей, высокотемпературных кабелей и огнеупорной электропроводки и кабелей. Такие проводники широко применяются на судах и платформах, расположенных на материковом шельфе, в туннелях, сталелитейных заводах и ядерных энергоблоках.
ПРИМЕР 1.
4086 граммов полибутадиеновой смолы (Lithene AH, Lithium Corporation of America), имеющей приблизительный средний молекулярный вес 1800, растворяли в 8172 граммах толуола, содержащего приблизительно 41 грамм дикумилпероксида в качестве отверждающего агента, что дало раствор 33,4% по массе твердых компонентов.
Полотно обычной слюды толщиной приблизительно два мил приводили в контакт с стекловолоконным холстом GlasFab® Direct от Dielectric Solutions толщиной около 1,2 мил и покрывали с помощью валика раствором полибутадиеновой смолы полотно слюды сверху и внутри через стекловолоконный холст. Затем валиком на стекловолоконный холст наносили полимерный изоляционный слой, включающий в себя связующий раствор изопрен-бутадиенового A-B-A блоксополимера. Изоляционный слой в этом частном примере получали из раствора, включающего в себя 6,7 фунтов толуола, 1,32 граммов антиоксиданта (Irganox 101, Ciba Geigy), диаллилтиопропаната 0,66 граммов, антиоксиданта Weston 618 0,66 граммов и 0,58 фунта изопрен-бутадиенового A-B-A блоксополимера (Kraton 1107). Таким образом покрытую ленту нагревали на валике снизу при температуре валика около 375-450°C. После нанесения покрытий ленту (Лента #1) подвергали тепловой обработке в сушильном шкафу при температуре около 325°F до по существу неклейкого состояния, но с ограничением времени для того, чтобы не инициировать отверждение полибутадиена. После сушильного шкафа слой полиэтилэтилентерефталатной пленки наносили с толщиной около 0,25 мил на ту сторону слюдяной ленты, что противоположна стекловолоконному холсту и композит пропускали через вальцы каландра, нагретые до около 300°F.
Второй образец (Лента #2) приготовляли тем же самым способом, как первый образец, но включая дополнительный слой полиэтилентерефталатной пленки на слое блоксополимера первого образца. Этот полиэфирный слой наносили на то же место тем же способом, как первый полиэфирный слой первого образца. Свойства соответствующих лент представлены в таблице 1. Обе ленты имели остаточное содержание растворителя (толуол) около 0,5% по массе.
| Таблица 1 | ||
| Показатели | Лента 1 | Лента 2 |
| Содержание связующего, % | 20-25 | 20-25 |
| Толщина (ASTM D374, Метод С) | 0,0050" | 0,0053" |
| Приблизительная поверхностная плотность, фунтов/квадр.дюйм | 0,028 | 0,031 |
| Устойчивость по Gurley, Mg.@ 75°F | 500 | 600 |
| Диэлектрическая сила, вольт/мил | 800 | 1200 |
| Диэлектрическая полоса, кВ (намотка с половинным напуском): | ||
| один слой | 3,1 | 4,5 |
| два слоя | 6,9 | 8,5 |
| три слоя | 8,9 | 10,5 |
| Коэффициент потерь, °С, 1,4% (40 вольт на мил, двухслойный ламинат) | 155 |
Ламинаты, основанные на других системах смол, получали, как описано в таблице 2. Коэффициент потерь определяли для выбранных ламинатов, приведенных в этой таблице.
| Таблица 2 | ||
| Система смолы | Ламинат | Коэффициент потерь (155, 40 вольт/мил, ASTM D150), % |
| Бисфенол А, ангидридное отверждение | 2 слоя 0,006" листовой слюды | 8,8 |
| 1 слой полиамида | 14,7 | |
| 2 слоя полиамида и листовой слюды | 14,5 | |
| Новолак Эпокси* (3% BF3, 400 MEA) | 4 слоя 0,004" листовой слюды | 4,7 |
| Новолак Эпокси* (3% BF3, 400 MEA, горячее плавление) | - | |
| Новолак Эпокси* (средний молекулярный вес, 50 phr), фенольный новолак | 4 слоя 0,004" листовой слюды | 2,6 |
| Новолак Эпокси* (низкий молекулярный вес, 50 phr), фенольный новолак | 4 слоя 0,004" листовой слюды | 8,8 |
| Бисфенол А Эпокси* (низкий молекулярный вес, 50 phr), фенольный новолак | 4 слоя 0,004" листовой слюды | 11,0 |
| Углеводородный эластомер B-стадии (раствор в растворителе) | 4 слоя 0,004" листовой слюды | 0,6 |
| Углеводородный эластомер B-стадии (горячее плавление) | - | |
| Коммерческая углеводородная рецептура **(без растворителя) | - | |
| *) Данные формования литьем были все проведены из ацетонового раствора смол. **) Нормировано в классе 180°C |
ПРИМЕР 2. Исследование обмотки изоляционной ленты
Межвитковое изолирование: рулоны 3/4" x 100 ярдов являлись стандартной упаковкой. Испытательная лента показывала великолепную укладку без прожилок, отмеченных для конкурирующей ленты.
Корпусное изолирование: рулоны 1" x 30 ярдов на один дюйм I.D. cores (внутреннего диаметра сердечников) являлось стандартной упаковкой.
Было установлено, что упаковка лентой остается стабильной на всем протяжении процесса наматывания, даже при наивысшем натяжении. Кроме того, лента наносилась плавно и с весьма равномерным внешним видом.
Катушки готовили с применением испытуемого материала (катушка #9) и двух контрольных лент (катушка #11 и катушка #8). Боковые пластины закрутили болтами на секциях разъемов катушек для стимулирования ограничений импрегнирования, случающихся, когда катушка находится в статоре. Все электрическое тестирование проводили с извлечением разъемов боковых пластин. Это вело к получению более высоких показателей разности диэлектрических потерь при разных напряжениях и величин коэффициента потерь. Однако, поскольку все катушки тестировали одним и тем же способом, результаты могут считаться коррелятивными.
Выводы катушек подключали к источнику питания и коэффициент потерь измеряли в секции разъема путем присоединения измерительных выводов к боковым пластинам. Наросты смолы удаляли во всех областях контакта. Коэффициент потерь измеряли при комнатной температуре и затем при повышенной температуре при нагрузке 2 кВ. Каждый участок катушки тестировали и сообщали среднее двух результатов. Катушкам позволяли приходить в термическое равновесие посредством удерживания их при температуре измерения в течение одного часа перед тестированием. Результаты состояли в следующем:
типично большинство комбинаций материалов показывали низкий коэффициент потерь при комнатной температуре. Как правило, увеличение температуры материала увеличивает коэффициент потерь. Это является функцией того, насколько хорошо отверждена смола в ленте в связи со смолой в емкости VPI. Кроме того, это дает указание общей полярной природы связывающей смолы в самой ленте. Оптимально иметь нулевое увеличение и, на практике, попытаться минимизировать этот эффект. Как правило, если имеется увеличение коэффициента потерь (DF), то затем также можно видеть увеличение диэлектрической постоянной. Увеличенная диэлектрическая постоянная приводит к большому диэлектрическому напряжению в пустых областях, которые могут становиться местом для внутреннего коронного разряда и, в конечном счете, пробоя изоляции. Результаты, измеренные на катушках # 11 и 9, считались великолепными и согласующимися с эпоксидной системой, отвержденной ангидридом.
Кроме того, для измерения коэффициента потерь при комнатной температуре измеряли разность диэлектрических потерь при напряжении от 2 до 8 кВ на каждом участке каждой катушки. Это измерение проводили как перед, так и после линейного нагрева катушек до 180°C. Интенсивность перед воздействием температуры предназначена для определения того, насколько хорошо изоляция впитала VPI-смолу. Высокий показатель разности диэлектрических потерь должен отражать слабое имрегнирование благодаря высокому содержанию пустот. Показатель разности диэлектрических потерь после воздействия температуры будет раскрывать проблемы с термической стабильностью как результат обезгаживания и удаления пустот изоляционной стенки. Результаты состояли в следующем:
ни одна из катушек не обнаруживала проблемы с обезгаживанием или удалением пустот. Они все показывали улучшение в коэффициенте потерь после выдерживания при 180°C. Это согласуется с изоляцией, которая получает дополнительное усиление. Показатели разности диэлектрических потерь считаются нормой, учитывая двухэлектродную конфигурацию. С защищенными электродами эти величины должны ожидаться весьма ровными. Важный пункт состоит в том, что не имело место увеличение в действительном показателе разности диэлектрических потерь для испытательного материала (Катушка #9) и это согласуется с контролем.
На катушках, тестированных на коэффициент потерь, удаляли пластины секции разъема и вырезали тонкие 0,050" поперечные сечения для визуального наблюдения юстировки меди, укладки изоляции и VPI заполнения смолой. Все поперечные сечения катушек показывали некоторую степень искажения ленты. Частью это имело место благодаря юстировке меди, характеристикам укладки самой ленты и натяжения ленты в течение нанесения. Все поперечные сечения также обнаруживали карманы. Эти карманы не являлись пустотами и были действительно хорошо заполнены эпоксидной смолой. Так как смола являлась полупрозрачной и образцы освещали сзади, те казались обманчиво подобны пустым разрывам. Однако все катушки были хорошо заполнены VPI-смолами. Этот аспект должен считаться великолепным. Юстировка меди на катушках 11 и 8 была гораздо лучше, чем у катушки 9. Предположительно этот аспект приготовления катушки привлекал меньшее внимание благодаря его выборочной природе.
ПРИМЕР 3. Содержание смолы - отношение слюда/стекловолокно
Ленты получали по способу, описанному в примере 1, с применением системы эпоксидной смолы. Исследуемая лента отличалась от контрольной ленты 2 только тем, что применяли стеклоткань от Dielectric Solutions, составленную из нескрученных волокон (табл.3).
| Таблица 3 | |||
| Параметр | Контрольный образец 1 | Контрольный образец 2 | Экспериментальный образец |
| Толщина стекловолокна (милы) | 2 | 2 | 1,2 |
| Толщина слюды (милы) | 3 | 6 | 5,6 |
| Поверхностная плотность стекловолокна (г/см2) | 27,5 | 27,5 | 28,8 |
| Поверхностная плотность слюды (г/см2) | 120 | 250 | 252 |
| Содержание смолы (% по массе) | 42 | 27-33 | 30 |
| Общая толщина (милы) | 7 | 10 | 9,35 |
| Эластичность (фунтов/дюйм) | 110 | 110 | 150 |
| Отношение слюда/стекловолокно по толщине | 1,5 | 3 | 4,7 |
| Отношение слюда/стекловолокно по массе | 4,4 | 9,1 | 8,7 |
| Процент сжатия | 30 | 40 | |
| Толщина после сжатия в слое с половинным перехлестом | 9,8 | 12 | |
| Отношение слюда/стекловолокно по толщине после сжатия | 1,45 | 2 | |
| 60 vpm при 133 мил, № слоя | 13,5 | 11 | |
| Tg (°C) после отверждения 10 часов, 150°C | 170 | 170 | 171 |
| Процент коэффициента потерь, 160°C | 10,8 | 10,8 | 3,5 |
Можно видеть, что исследуемая лента имела более высокое отношение слюда/стекло по толщине, меньшее содержание смолы и более высокую силу упругости, чем любая из контрольных лент.
1. Электроизоляционный материал, включающий в себя слой стекловолокна в виде плетеной стеклоткани и расположенный на нем слой слюды, и по меньшей мере одну полимерную смолу, в котором слой стекловолокна включает в себя нескрученную стекловолоконную нить.
2. Электроизоляционный материал по п.1, в котором полимерная смола включает в себя термоусадочную смолу.
3. Электроизоляционный материал по п.1, в котором полимерная смола включает в себя по меньшей мере одну эпоксидную смолу.
4. Электроизоляционный материал по п.1, в котором полимерная смола включает в себя по меньшей мере одну силиконовую смолу.
5. Электроизоляционный материал по п.1, в котором содержание смолы находится в диапазоне от около 3% до приблизительно 25% по массе.
6. Электроизоляционный материал по п.1, в котором содержание смолы находится в диапазоне от около 5% до приблизительно 18% по массе.
7. Электроизоляционный материал по п.1, дополнительно включающий в себя ускоритель отверждения.
8. Электроизоляционный материал по п.7, в котором ускоритель отверждения включает в себя металл или амин.
9. Электроизоляционный материал по п.1, в котором содержание смолы находится в диапазоне от около 25% по массе до приблизительно 50% по массе.
10. Электроизоляционный материал по п.3, в котором содержание смолы находится в диапазоне от около 27% до приблизительно 45% по массе.
11. Электроизоляционный материал по п.1 в форме ленты.
12. Способ для производства изолированного электрического проводника, включающий в себя оборачивание электрического проводника электроизоляционным материалом по любому из предшествующих пунктов.
13. Способ по п.12, дополнительно включающий в себя нагревание обернутого проводника для отверждения смолы.
14. Способ по п.12, в котором электрический проводник представляет собой провод, подходящий для применения в высокотемпературных средах.
15. Способ по п.12, в котором электрический проводник представляет собой катушку для применения в высоковольтном электрическом двигателе.
16. Способ по п.12, дополнительно включающий в себя импрегнирование материала термоусадочной смолой до нагревания обернутого проводника.
17. Высокотемпературный изолированный провод, произведенный с применением способа по п.14, в котором упомянутый провод рассчитан на работу при температурах до 450°С.
18. Высокотемпературный изолированный провод, произведенный с применением способа по п.14, в котором упомянутый провод рассчитан на работу при температурах до 1100°С.
19. Высокотемпературная изолированная катушка, произведенная с применением способа по п.15.
