專利名稱：用于電絕緣的片狀材料、半固化片及使用它們的電絕緣線圈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于電絕緣的片狀材料和半固化片，更具體地是涉及適用于電絕緣線圈的電絕緣的片狀材料和半固化片，該線圈為高壓電機、特別是高機械強度電機所需用，以及涉及使用它們的電絕緣線圈。
用于常規(guī)電機例如電動發(fā)電機的電絕緣線圈的制造或者是利用由玻璃纖維織物和層壓云母或片狀粉末云母構(gòu)成的干式電絕緣帶通過將其環(huán)繞線圈導(dǎo)體繞制，將其浸漬熱固性樹脂，然后，成形加熱、固化，或者是利用一種通過預(yù)先將熱固性樹脂浸漬到電絕緣帶上形成的半固化的預(yù)浸處理的絕緣帶，通過將其環(huán)繞線圈導(dǎo)體繞制成形并在此之后加熱、完全固化而完成的。
在上述常規(guī)電絕緣線圈中，使其電絕緣強度設(shè)計得基本上由層壓云母來承受，使其機械強度設(shè)計得基本上由片狀粉末云母或玻璃纖維織物來承受。
然而，片狀粉末云母的缺點是絕緣電阻和機械強度都相對較低，而玻璃纖維織物的缺點是絕緣電阻低，這是因為其對放電閃流沒有阻擋效應(yīng)，因而，存在的問題在于即使是由低機械強度的層壓云母構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)也不能提供足夠的絕緣電阻。
為了改進(jìn)上述機械強度，通過測量已知一種玻璃片狀粉末型片狀材料，例如公開在JP(U)-B-48-4851(1973)中。該玻璃片狀粉末型片狀材料的構(gòu)成類似于利用通過磨碎玻璃細(xì)屑而預(yù)制的片狀物和例如為玻璃纖維織物的襯底部分而形成紙狀制品，使得因此而形成的玻璃片狀粉末型片狀材料具有的機械強度優(yōu)于按類似方式構(gòu)成的層壓云母片狀材料。
然而，常規(guī)的玻璃片狀粉末是通過膨脹(inflation)處理制備的其中一種玻璃薄膜片，在該處理過程中，熔化的玻璃被膨脹充入一個大球并冷卻，在此之后磨碎成為玻璃薄膜粉末。因此，該片狀粉末的尺寸大，它的厚度大于5微米，直徑大約400微米，此外，當(dāng)層壓時，片狀粉末的相互粘接可能不足，這是因為各個片狀粉末的球形表面構(gòu)形所致，因此，不可能得到如上所述的片狀粉末的足夠的阻擋效應(yīng)，這就加劇了電絕緣片狀材料的局部放電抵抗能力不足的缺點。
本發(fā)明的第一個目的是提供一種用于電絕緣的片狀材料和半固化片，其采用的玻璃片狀粉末的絕緣電阻和局部放電抵抗能力高于常規(guī)材料。
本發(fā)明的第二個目的是提供一種利用用于電絕緣的上述片狀材料或半固化片的電絕緣線圈。
本發(fā)明的第三個目的是提供一種采用這樣一種電絕緣線圈的電機，該線圈是利用上述用于電絕緣的片狀材料或半固化片制成的。
下面介紹本發(fā)明解決上述問題的要點。
(1)用于電絕緣的片狀材料，其特征在于，其是通過將在片狀電絕緣材料的襯底部分上的厚度為0.2-1微米、直徑為40-250微米的各玻璃片狀粉末層進(jìn)行層壓構(gòu)成的。
(2)用于電絕緣的半固化片，其特征在于，其是通過將在片狀電絕緣材料的襯底上的厚度為0.2-1微米、直徑為40-250微米的各玻璃片狀粉末層進(jìn)行層壓以及利用半固化的熱固性樹脂進(jìn)行浸漬而形成的。
(3)電絕緣線圈，其特征在于，一種電絕緣層環(huán)繞用于電絕緣線圈的電導(dǎo)體;該電絕緣層是通過將在片狀電絕緣材料的襯底部分上的厚度為0.2-1微米、直徑為40-250微米的各玻璃片狀粉末層進(jìn)行層壓以及利用半固化的熱固性樹脂進(jìn)行浸漬而形成的。
(4)該玻璃片狀粉末是通過溶膠-凝膠處理制備的。
本發(fā)明的特征在于使用厚度為0.2-1微米、直徑為40-250微米的玻璃片狀粉末，與常規(guī)材料相比，其具有高的機械強度和優(yōu)異的絕緣電阻。這種玻璃片狀粉末例如是通過將由溶膠-凝膠處理制備的玻璃薄膜磨碎預(yù)制的。
通過使用本發(fā)明的玻璃片狀粉末制得的電絕緣片狀材料，制造具有高電壓承受特性以及優(yōu)異的機械強度的電絕緣線圈。
上述溶膠-凝膠處理是指其中利用如下化學(xué)式(1)表示的金屬醇鹽(alkoxide)用作原料;
M(OR)n…(1)其中M代表一個n價的金屬原子，R是低的烷基，通過將水添加到該原料中，通過水解作用和接續(xù)的凝結(jié)作用產(chǎn)生膠體溶液并且在其后引起溶膠-凝膠變換。因此在一平板上形成因此過程而得到的呈凝膠狀態(tài)的及呈潤濕狀態(tài)的原料并被干燥，在此之后，通過逐漸加熱到預(yù)定的溫度進(jìn)行燒結(jié)，例如在醇鹽硅(Silicon alkoxide)的情況下為500-1000℃。
Si、Al、Ti和Ta可以用作在上述化學(xué)式中的金屬M，然而，Si對金屬M來說是優(yōu)選的。當(dāng)采用通過選擇Si用作成分M而確定的醇鹽硅時，與常規(guī)的材料相比可以得到高純的SiO2玻璃片狀粉末。
上面所述的溶膠-凝膠處理包含如下的特征，可以得到純成分的玻璃，對于確定所形成的玻璃薄膜的形狀允許有很大的自由度，并且可以大量地制得大的幾個亞微米厚度的玻璃薄片。特別是，利用溶膠-凝膠處理可以制得利用常規(guī)的膨脹處理所不可能制得的、具有薄的薄片厚度、小的直徑和扁平形狀的玻璃片狀粉末。利用溶膠-凝膠處理制得的這種玻璃片狀粉末的一個實例是SG玻璃片狀粉末(Nihon平板玻璃制造公司的產(chǎn)品)。
通過按與制紙相同的方式將上述玻璃片狀粉末散布在玻璃纖維織物的襯底部分上制得電絕緣片狀材料。此外，當(dāng)將因此制得的電絕緣片狀材料用一種利用如一種溶劑稀釋的熱固性樹脂進(jìn)行浸漬，然后溶劑被干燥并且在此之后在預(yù)定的溫度下加熱，以使被浸漬的樹脂處于半固化狀態(tài)(使之進(jìn)入B階段)，得到一種玻璃片狀粉末半固化片。
要浸漬的樹脂的類型不受局限，假如該樹脂適于制備，例如常規(guī)的玻璃半固化片的話，然而，從它們的絕緣特性和耐熱能力來看，環(huán)氧樹脂系列是優(yōu)選的。此外，假如能使待浸漬的樹脂充分地溶解，任何溶劑都可采用。
作為用于上述玻璃片狀粉末半固化片的襯底部分，玻璃纖維織物是非常通用的，然而，例如液晶聚合物的紡織品或非紡織品，例如聚酰胺和聚酯都可以根據(jù)使用目的予以采用。
此外，由于與云母片狀粉末相比，玻璃片狀粉末顯現(xiàn)較高的抗拉變形破壞強度，因此，當(dāng)這些玻璃片狀粉末像層壓云母一樣被層壓時，可以得到具有高機械強度的片狀電絕緣材料。為了制備這種電絕緣片狀材料，厚度0.2-1微米、直徑(片狀粉末的尺寸大小)40-250微米的玻璃片狀粉末是優(yōu)選的。
玻璃片狀粉末具有高的絕緣電阻和良好的局部放電抵抗能力。不必要澄清為什么采用本發(fā)明的玻璃片狀粉末的電絕緣片狀材料和半固化片，關(guān)于上述電阻等具有優(yōu)異的特性，然而，由于玻璃片狀粉末的厚度為幾亞微米數(shù)量級，直徑(片狀粉末尺寸大小)小到低于250微米，而且通過層壓玻璃片狀粉末形成的絕緣層是緊密的，會理解，對于沿豎直方向的放電閃流，玻璃片狀粉末的阻擋效應(yīng)增加了。
特別是，通過溶膠-凝膠處理所制備的玻璃片狀粉末的平整度與通過常規(guī)的膨脹處理相比較是想望的，因此，當(dāng)層壓時在各玻璃片狀粉末之間的粘接是優(yōu)異的，顯微空隙的產(chǎn)生是有限的，因而可以理解，上述優(yōu)異特性是可實現(xiàn)的。
附圖簡要介紹

圖1是表示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電絕緣片狀材料的v-t特性的附圖;
圖2是在一個實施例中所用的電絕緣線圈的橫斷面示意圖;
圖3是在另一實施例中所用的具有兩個電絕緣層的另一種電絕緣線圈的橫斷面示意圖;
圖4是用于對本發(fā)明的一個實施例的電絕緣線圈的彎曲變形-絕緣擊穿特性進(jìn)行比較的附圖;
圖5是表示采用本發(fā)明的玻璃片狀粉末和層壓云母所形成的電絕緣線圈的彎曲變形特性的附圖;
圖6是汽輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子和定子的示意圖;
圖7是托克馬克型核聚變裝置的示意圖。
〔實施例1〕根據(jù)溶膠-凝膠處理制備的Si系列玻璃片狀粉末(SG玻璃片狀粉末，Nihon玻璃板制造公司產(chǎn)品，厚度為0.5微米，直徑為40-150微米)散布在一種溶液中(丁酮/乙基溶纖劑溶液，Solution ofmethyl ethyl ketone/ethyl cellosolve)，該溶液包含按重量計2%的苯氧樹脂，作為粘接劑，按照與制紙相同的方式在玻璃纖維織品(厚度35微米)的襯底部分上形成玻璃片狀粉末薄層，在除去液體以后，形成的片狀材料在120℃下干燥5-10分鐘，并且浸入到并用包含按重量計為2%的樹脂混合物的丁酮/三醇(triol)的溶液浸漬，該混合物為酚醛清漆型環(huán)氧樹脂和雙酚環(huán)氧樹脂(1/1混合物)并混有按重量計為3%的BF3，其復(fù)合功能是作為固化催化劑，在95℃持續(xù)10分鐘，以使樹脂成為半固化狀態(tài)。借此，得到厚度為200微米的玻璃片狀粉末半固化片。經(jīng)觀測，所形成的半固化片按重量計包含53%樹脂。
兩片玻璃片狀粉末半固化片疊層、加壓、成形并在160℃下持續(xù)1小時固化，借此得到厚度為260微米的片狀材料(A)。
為了比較，由兩片半固化片(厚度260微米)以與上述相同的方式制備厚度為320微米的片狀材料(B)，其是通過使用按常規(guī)的膨脹處理制得的玻璃片狀粉末(厚度為5微米、平均直徑為400微米)得到的。
此外，由一片厚度為280微米的層壓云母半固化片，按照與上述相同的方式制備厚度為200微米的片狀材料(C)。
圖1表示上述各個片狀材料的v-t特性的測量結(jié)果。由圖1可以看出，本發(fā)明的玻璃片狀粉末型片狀材料(A)與常規(guī)的玻璃片狀粉末型片狀材料(B)相比，具有非常優(yōu)異的v-t特性，并且具有與層壓的云母片狀材料(C)可相比較的v-t特性。
〔實施例2〕在本實施例中，在圖2的橫截面示意圖中的電絕緣線圈是利用以實施例1相同的方式制備的半固化帶制得的。
將各個半固化帶環(huán)繞各個線圈導(dǎo)體1分別繞預(yù)定的次數(shù)，以構(gòu)成電絕緣層2，然后將各個組件放在金屬模具中，通過加壓和加熱成形并且固化以制備各個電絕緣的線圈。圖4表示因此得到各個電絕緣線圈的彎曲變形和絕緣擊穿電壓之間的相互關(guān)系。
關(guān)于利用層壓的云母帶(C)的電絕緣線圈，當(dāng)彎曲變形超過0.3%時，絕緣擊穿電壓突然下降，另一方面，對于利用本發(fā)明的玻璃片狀粉末帶(A)的電絕緣線圈，據(jù)觀察，即使當(dāng)彎曲變形達(dá)到0.5%時，絕緣擊穿電壓基本上沒有下降。此外，據(jù)觀察利用本發(fā)明的玻璃片狀粉末帶(A)形成的電絕緣線圈還顯示具有的特性優(yōu)于片狀粉末云母帶(D)構(gòu)成的線圈的特性。
此外，在圖5中，示有利用玻璃片狀粉末帶(A)的電絕緣型線圈和利用層壓的云母帶(C)的電絕緣型線圈的彎曲特性。由圖可以看出，可以理解，相對于層壓的云母帶(C)，玻璃片狀粉末帶(A)顯示具有優(yōu)異的變形特性。
此外，如在圖3所示的兩個電絕緣層的電絕緣線圈的特性，即使用層壓云母+片狀粉末云母的復(fù)合層(E)以及使用層壓云母+本發(fā)明的玻璃片狀粉末的復(fù)合層(F)均顯示在圖4中。
此外，在圖3所示的電絕緣線圈中，層壓的云母半固化帶用作內(nèi)電絕緣層3并且各個半固化帶用作外電絕緣層4。在這個實施例中，經(jīng)測定，利用本發(fā)明的玻璃片狀粉末半固化帶構(gòu)成的電絕緣線圈顯示具有優(yōu)異的特性，并且一直到彎曲變形達(dá)0.5%時，使絕緣擊穿電壓的降低極為有限。
根據(jù)本實施例，通過形成層壓云母的電絕緣層和通過形成本發(fā)明的玻璃片狀粉末電絕緣層可以得到具有優(yōu)異的局部放電抵抗能力和優(yōu)異的機械特性的電絕緣線圈，這是由于該層壓云母層在產(chǎn)生電場集中的線圈導(dǎo)體部位具有優(yōu)異的局部放電抵抗能力，而本發(fā)明的玻璃片狀粉末層具有優(yōu)異的機械特性所致。
根據(jù)上面研究試驗結(jié)果，可以理解，利用本發(fā)明的玻璃片狀粉末帶，可以實現(xiàn)與層壓云母相似的局部放電抵抗能力，以及即使在彎曲變形達(dá)0.5%時，仍維持高的絕緣擊穿電壓。
在上述實施例中，電絕緣線圈的制備是通過使用各個半固化帶，然而，并不一定要用這種半固化帶。例如，可以采用干式帶來制備電絕緣線圈，這種干式帶沒有用樹脂浸漬，而是可以在將這種干式帶環(huán)繞線圈導(dǎo)體繞制之后，利用適當(dāng)?shù)臉渲n。特別是，通過在真空中浸漬樹脂，可以得到具有高可靠性的無空隙的電絕緣線圈。
此外，在上述實施例中，采用的是通過溶膠-凝膠處理制備的玻璃片狀粉末，然而，假如片狀粉末的厚度和直徑可控制在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，可以采用由常規(guī)方法制備的玻璃片狀粉末。盡管如此，通過溶膠-凝膠處理制備的玻璃片狀粉末仍然是優(yōu)選的。
此外，當(dāng)使用其表面利用一種中間粘接劑，例如氨基硅烷，處理的玻璃片狀粉末或者將浸漬樹脂混入中間粘接劑中而得到的玻璃片狀粉末時，所形成的片狀材料及半固化片的機械強度可以進(jìn)一步提高。
〔實施例3〕圖6是一汽輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子和定子的示意圖，其中勵磁繞組7配置在轉(zhuǎn)子5的轉(zhuǎn)子鐵心10上，勵磁繞組7的端部利用護(hù)環(huán)8夾緊。
此外，定子繞組9配置在位于轉(zhuǎn)子5外側(cè)的定子鐵心6上。勵磁繞組7由于離心力而受到應(yīng)力作用。當(dāng)發(fā)電機頻繁地重復(fù)起動和停機時，勵磁繞組7以及定子繞組9頻繁地受到這種應(yīng)力作用。
當(dāng)將本發(fā)明的玻璃片狀粉末電絕緣帶應(yīng)用到用于勵磁繞組7和定子繞組9的電絕緣層時，得到具有優(yōu)異絕緣電阻和高機械強度的電絕緣線圈，借此可以提供高可靠性的電動發(fā)電機。
圖7是托克馬克型核聚變裝置的示意圖，其中，沿著由上支承架14和下支承座15支承的、用于約束等離子體的真空室11的圓周，配置有角向磁場線圈13和環(huán)形磁場線圈12，以便相互垂直交叉，用來產(chǎn)生一個將等離子保持在環(huán)形真空室11中央的磁場。
通過各個線圈12和13流過大電流產(chǎn)生磁場，在各個線圈上作用相應(yīng)的巨大應(yīng)力。
當(dāng)將本發(fā)明的玻璃片狀粉末電絕緣帶用于能夠承受這種應(yīng)力的角形磁場線圈13和環(huán)形磁場線圈12的電絕緣層時，得到具有優(yōu)異的絕緣電阻以及高機械強度的電絕緣線圈，借此，可以提供高可靠性的核聚變裝置。
根據(jù)本發(fā)明，提供的電絕緣線圈具有優(yōu)異的局部放電抵抗能力并具有高的絕緣擊穿強度，即使是當(dāng)產(chǎn)生大的機械變形時，該線圈適合于用作在高電場強度下受到大的應(yīng)力的嚴(yán)重工作條件的電機的電絕緣線圈。
權(quán)利要求
1.一種電絕緣片狀材料，其特征在于，所述片狀材料是通過將在一種片狀電絕緣材料的襯底部分上的厚度0.2-1微米和直徑40-250微米的各玻璃片狀粉末層進(jìn)行層壓而形成的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電絕緣片狀材料，其中所述的玻璃片狀粉末是通過溶膠-凝膠處理制備的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的電絕緣片狀材料，其中所述的片狀電絕緣材料是一種紡織的和非紡的玻璃纖維織物中的一種。
4.一種電絕緣的半固化片，其特征在于所述半固化片是通過將在片狀電絕緣材料的襯底部分上的厚度為0.2-1微米，直徑為40-250微米的各玻璃片狀粉末層進(jìn)行層壓以及使用半固化的熱固性樹脂進(jìn)行浸漬而形成的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的電絕緣半固化片，其中所述的玻璃片狀粉末是通過溶膠-凝膠處理制得的。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5的電絕緣半固化片，其中所述的片狀電絕緣材料是紡織的和非紡的玻璃纖維織物中的一種。
7.一種電絕緣線圈，其特征在于，環(huán)繞用于所述電絕緣線圈的電導(dǎo)體繞制的電絕緣層是通過將在片狀絕緣材料的襯底部分上的厚度為0.2-1微米，直徑為40-250微米的各玻璃片狀粉末層進(jìn)行層壓和利用半固化的熱固性樹脂進(jìn)行浸漬而形成的。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的電絕緣線圈，其中所述的玻璃片狀粉末是通過溶膠-凝膠處理制得的。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8的電絕緣線圈，其中所述的片狀電絕緣材料是紡織的和非紡的玻璃纖維織物中的一種。
10.一種旋轉(zhuǎn)電機，其包含一個定子，配置在所述定子槽中的定子線圈、與所述定子同心配置和支承以使之旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子以及配置在所述轉(zhuǎn)子槽中以便與所述定子線圈磁耦合的轉(zhuǎn)子線圈，其特征在于，環(huán)繞用于所述定子線圈和所述轉(zhuǎn)子線圈的至少其中一個的電導(dǎo)體的電絕緣層是通過將在片狀電絕緣材料上的厚度為0.2-1微米，直徑為40-250微米的各玻璃片狀粉末層進(jìn)行層壓和利用半固化的熱固性樹脂進(jìn)行浸漬而形成的。
11.一種核聚變裝置，其包含一個用于約束其中的等離子體的環(huán)形真空室，若干環(huán)形線圈其用于將等離子體約束并保持在所述真空室中，其環(huán)繞所述真空室沿環(huán)形室圓周方向按預(yù)定距離配置，以及若干角形線圈，其沿所述真空室的環(huán)形方向配置，其特征在于，環(huán)繞用于所述環(huán)形線圈和角形線圈的至少其中一種的電導(dǎo)體的電絕緣層是通過將在片狀絕緣材料的襯底部分上的厚度為0.2-1微米，直徑為40-250微米的各玻璃片狀粉末層進(jìn)行層壓和利用半固化的熱固性樹脂進(jìn)行浸漬而形成的。
全文摘要
一種電絕緣線圈，其特征在于，環(huán)繞用于電絕緣線圈的電導(dǎo)體繞制的絕緣層是通過將在片狀電絕緣材料的襯底部分上的厚度為0.2—1微米，直徑40—250微米的各玻璃片狀粉末層進(jìn)行層壓和利用半固化的熱固性樹脂進(jìn)行浸漬而形成的。因此，使該電絕緣線圈具有優(yōu)異的局部放電抵抗能力以及具有高絕緣擊穿強度，即使是當(dāng)產(chǎn)生大的機械變形時也能實現(xiàn)。
文檔編號H01F27/32GK1112302SQ9510117
公開日1995年11月22日 申請日期1995年1月11日 優(yōu)先權(quán)日1994年1月11日
發(fā)明者宮尾博, 東村豐, 高村誠, 佐藤隆德, 神谷宏之, 小野田滿 申請人:株式會社日立制作所