高壓電機(jī)用高導(dǎo)熱絕緣材料的應(yīng)用

李翠翠，郭勝智，寧方為，王文，王毅，班淑梅

(1蘇州巨峰電氣絕緣系統(tǒng)股份有限公司，江蘇蘇州215214；2中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院第十八研究所，北京100176)

?

高壓電機(jī)用高導(dǎo)熱絕緣材料的應(yīng)用

李翠翠，郭勝智，寧方為，王文，王毅，班淑梅

(1蘇州巨峰電氣絕緣系統(tǒng)股份有限公司，江蘇蘇州215214；2中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院第十八研究所，北京100176)

簡(jiǎn)單綜述了國(guó)內(nèi)高壓電機(jī)用高導(dǎo)熱絕緣樹(shù)脂、高導(dǎo)熱云母帶及高導(dǎo)熱電磁線的研究現(xiàn)狀。指出加快高導(dǎo)熱絕緣材料的應(yīng)用，將有效地降低電機(jī)溫升，提高電機(jī)的制造水平。

高導(dǎo)熱；絕緣材料；高壓電機(jī)

0 引言

大中型高壓發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的發(fā)熱、傳熱、冷卻，直接影響到其工作效率、使用壽命和可靠性等重要指標(biāo)，已成為現(xiàn)代電機(jī)技術(shù)發(fā)展急需解決的問(wèn)題。提高絕緣層的導(dǎo)熱性是改進(jìn)電機(jī)絕緣的重要措施之一：首先是選擇導(dǎo)熱系數(shù)高的絕緣材料；其次是選擇最佳的絕緣處理工藝，以消除空隙、提高絕緣層的密實(shí)性。

作為電機(jī)最關(guān)鍵的絕緣材料是有機(jī)高分子材料，在制造和運(yùn)行過(guò)程中，極易受到損傷和破壞。高溫會(huì)導(dǎo)致絕緣的電性能、機(jī)械性能和使用壽命降低及絕緣件松動(dòng)等不良現(xiàn)象產(chǎn)生。因此高導(dǎo)熱絕緣材料，已成為現(xiàn)代電機(jī)技術(shù)研究的重要方向[1]。

目前，對(duì)于聚合物材料而言提高其導(dǎo)熱性能的方法主要有以下兩種方式：一是制備本征型導(dǎo)熱聚合物，即聚合物本身?yè)碛辛己玫膶?dǎo)熱性能，但制備工藝復(fù)雜、成本高；二是制備填充型導(dǎo)熱聚合物，即以聚合物為基體，添加高導(dǎo)熱絕緣填料，通過(guò)一定工藝制備導(dǎo)熱絕緣聚合物復(fù)合材料，目前普遍應(yīng)用這種方法提供材料的導(dǎo)熱性。對(duì)國(guó)內(nèi)高壓電機(jī)用高導(dǎo)熱的絕緣樹(shù)脂、云母帶及電磁線的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。

1 高導(dǎo)熱絕緣樹(shù)脂及應(yīng)用

高分子材料主要以聲子為導(dǎo)熱載體，因此聚合物的熱導(dǎo)率主要取決于材料的結(jié)晶性能的好壞和相關(guān)的取向方向，即所謂的聲子散射程度的大小。在高分子中，分子與晶格相互間的非諧性振動(dòng)的強(qiáng)弱、與樹(shù)脂界面間的結(jié)合性能的好壞以及在材料的成型過(guò)程中所產(chǎn)生的各類缺陷等諸多因素都會(huì)造成聲子散射的發(fā)生。如果樹(shù)脂基體中分子間的鏈接結(jié)構(gòu)是具有一定秩序的，那么熱量的傳輸就將會(huì)沿著這些分子間的鏈接方向迅速的進(jìn)行，而且沿著分子鏈的鏈接方向上的導(dǎo)熱效果會(huì)比其垂直方向好許多。

目前主要采用在聚合物中添加導(dǎo)熱絕緣填料的方法制備導(dǎo)熱絕緣聚合物材料。一般都是往聚合物基材中添加入部分無(wú)機(jī)非金屬材料，如金屬氧化物A12O3、MgO、ZnO、NiO，金屬氮化物AlN、Si3N4、BN，以及SiC 陶瓷等，這類材料既具有高導(dǎo)熱性，同時(shí)也具有優(yōu)良的絕緣性能、力學(xué)性能、耐高溫性能、耐化學(xué)腐蝕性能等，因此被廣泛用作電機(jī)、電器、微電子領(lǐng)域中的高散熱界面材料及封裝材料等。

在填充型導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料中，填料的種類、粒徑、形狀、添加量、表面潤(rùn)濕程度等因素對(duì)材料的導(dǎo)熱性能都有重大影響。另外，采用不同粒徑填料混合搭配，使其在基體中均勻分散、有效搭接均有利于提高材料的導(dǎo)熱性。

文獻(xiàn)[2]研究了硅粉對(duì)環(huán)氧不飽和樹(shù)脂導(dǎo)熱性、電性能的影響。通過(guò)四氫苯酐和乙醇胺合成亞胺醇，然后與順丁烯二酸酐反應(yīng)形成亞胺酸，再與環(huán)氧反應(yīng)至酸值小于20mgKOH/g，降溫加入阻聚劑、甲基苯乙烯和引發(fā)劑制成環(huán)氧不飽和樹(shù)脂漆。純硅粉用硅烷偶聯(lián)劑超聲波處理后烘干高速均質(zhì)分散機(jī)上分散到環(huán)氧不飽和樹(shù)脂中。研究表明硅粉的填充量為30%時(shí)，樹(shù)脂的粘度為65s，導(dǎo)熱率為0.35W/( m·K)，180℃的介質(zhì)損耗因數(shù)為4.9%，具有良好的電性能和粘結(jié)性。

文獻(xiàn)[3]對(duì)聚酰亞胺浸漬漆進(jìn)行了導(dǎo)熱性的研究。研究表明聯(lián)苯型聚酰亞胺浸漬漆比較適合用作填充型高導(dǎo)熱的基體樹(shù)脂。α-Al2O3與聚酰亞胺相容性比較好，用量在30%時(shí)，隨粉體粒徑增大，熱導(dǎo)率、粘接力增大，粒徑增大到400～500nm后，熱導(dǎo)率、粘接力上升開(kāi)始變慢，目浸漬漆靜置數(shù)天后開(kāi)始有粉體沉淀，100～300nm粒子適合填充本產(chǎn)品。隨其用量的增加熱導(dǎo)率單調(diào)增加，但用量增大到30%以后，耐熱老化性能急劇下降。引入30%～35%的無(wú)機(jī)粉體，常態(tài)及300 ℃下的粘接力均有一定提高，耐熱老化性能僅稍有下降，50℃熱導(dǎo)率由0.37W/( m·K)提高到0.65～0.80W/( m·K)，基本上可以滿足一些應(yīng)用場(chǎng)合的需求。

發(fā)明專利CN101768404 A “一種浸漬絕緣漆及其制備方法”，公開(kāi)了一種導(dǎo)熱性高的漬絕緣漆及其制備方法，包括以下組成：不飽和聚酯樹(shù)脂50～65份、潤(rùn)濕分散劑2～5份、硅微粉20～35份、氮化鋁2～10份、稀釋劑10～30份、流平劑0.1～2份、消泡劑0.1～3份、過(guò)氧化物0.5～2.5份。該產(chǎn)品具有良好的導(dǎo)熱性能好、導(dǎo)熱系數(shù)0.42～0.57W/( m·K)，可以滿足電機(jī)電器產(chǎn)品小型化和低溫升的發(fā)展需要[4]。

發(fā)明專利CN200810143365.4 公開(kāi)了一種高導(dǎo)熱有機(jī)硅浸漬漆，所述的浸漬漆是由三種平均顆粒尺寸為5～10um、10～20um，10～50nm制成混合氮化鋁粉體填料，混合粉體填料20～60份，有機(jī)硅預(yù)聚體40～80份，催化劑0.01～1份，固化劑0.01～1份，經(jīng)過(guò)常規(guī)球磨混合均勻制得高導(dǎo)熱有機(jī)硅浸漬漆。導(dǎo)熱系數(shù)0.38～0.5W/( m·K)[5]。

發(fā)明專利CN201210004444.3公開(kāi)一種導(dǎo)熱填料在VPI真空壓力浸漬樹(shù)脂中的應(yīng)用。采用微波分散技術(shù)將晶體粒徑尺寸范圍為2微米到5微米的六方體結(jié)構(gòu)氮化硼，添加量范圍在3%～35%，分散到環(huán)氧酸酐體系樹(shù)脂中。制得樹(shù)脂導(dǎo)熱系數(shù)0.24～0.84 W/( m·K)，能夠有效的提高高壓電機(jī)絕緣體的導(dǎo)熱系數(shù)，降低樹(shù)脂體系固化物的熱態(tài)介質(zhì)的損耗，并提升其電氣強(qiáng)度[6]。

發(fā)明專利CN201210345466.6公開(kāi)了一種耐溫導(dǎo)熱浸漬絕緣樹(shù)脂。以不飽和聚酯亞胺為主體樹(shù)脂，乙烯基甲苯、鄰苯二甲酸二烯丙酯為活性稀釋，過(guò)氧化二異丙苯、過(guò)氧化苯甲酰叔丁酯為引發(fā)劑，添加ZnO,A12O3導(dǎo)熱填料，制備導(dǎo)熱系數(shù)0.6～0.8 W(/ m·K)、耐溫等級(jí)達(dá)到H級(jí)的無(wú)溶劑浸漬絕緣樹(shù)脂[7]。

2 高導(dǎo)熱云母帶及應(yīng)用

導(dǎo)熱云母帶的制備，一般采用具有較高導(dǎo)熱性能的樹(shù)脂作為底膠，貼合粉云母紙與補(bǔ)強(qiáng)材料而得。國(guó)外電機(jī)用高導(dǎo)熱絕緣材料的研究和應(yīng)用起步較早，于上世紀(jì)80年代就完成了高導(dǎo)熱多膠云母帶的研究，并在電機(jī)上得到應(yīng)用(10.4kV、6.5MW電動(dòng)機(jī))。我國(guó)于1997年開(kāi)始高導(dǎo)熱多膠粉云母帶的研制工作。研究初期，主要采用α型球狀或準(zhǔn)球狀超細(xì)Al2O3作為高導(dǎo)熱填料(粒徑約為20～25μm)，初步完成了實(shí)驗(yàn)室的探索研究工作，其間遇到了很多技術(shù)和生產(chǎn)工藝問(wèn)題。后來(lái)，隨著納米技術(shù)的高速發(fā)展，為導(dǎo)熱絕緣材料建立了一個(gè)新的研發(fā)平臺(tái)。采用納米Al2O3球型粉體作為導(dǎo)熱填料，解決了很多工藝問(wèn)題。樣品帶的試驗(yàn)線棒測(cè)試結(jié)果表明：使用納米粉體制備的高導(dǎo)熱多膠粉云母帶的常規(guī)電氣性能優(yōu)異，雖然仍存在電老化性能下降等一些問(wèn)題，但已使我國(guó)高導(dǎo)熱多膠粉云母帶主絕緣的研究向前邁進(jìn)了一大步。

近年興起的高導(dǎo)熱少膠云母帶的制備中，包括：采用分子規(guī)整度高、熱導(dǎo)率高的液晶環(huán)氧樹(shù)脂作為基體膠粘劑，填充導(dǎo)熱填料，制備出高導(dǎo)熱少膠云母帶，進(jìn)一步提高導(dǎo)熱性和工藝性；在傳統(tǒng)少膠云母帶玻璃布面涂覆高導(dǎo)熱漿料，提高少膠云母帶的導(dǎo)熱性；與補(bǔ)強(qiáng)材料復(fù)合前，在云母紙表面印制條狀或網(wǎng)格狀高導(dǎo)熱膠粘劑，在保證少膠帶導(dǎo)熱性的同時(shí)，可以減少膠粘劑的含量，保持較高的柔軟性；對(duì)導(dǎo)熱填料的選擇進(jìn)行優(yōu)化，如微米級(jí)和納米級(jí)導(dǎo)熱填料的配合使用、選用導(dǎo)熱納米線或納米棒導(dǎo)通納米顆粒等，以提升膠粘劑的熱導(dǎo)率。國(guó)內(nèi)在高導(dǎo)熱少膠云母帶的研究還相對(duì)較少。

發(fā)明專利CN01210170533.5公開(kāi)了一種高導(dǎo)熱高透氣性少膠云母帶及其制備方法。樹(shù)脂膠粘劑層包括呈點(diǎn)狀均勻分布在云母紙層和補(bǔ)強(qiáng)材料層的界面上的樹(shù)脂膠粘劑，樹(shù)脂膠粘劑由導(dǎo)熱率為0.7～1.2 W/( m·K)、粒徑大小為60～200目、熔融溫度為100～180℃的高導(dǎo)熱樹(shù)脂粉末構(gòu)成；導(dǎo)熱短纖維的直徑為0.1～100μm，長(zhǎng)度為5μm～10mm，導(dǎo)熱系數(shù)為2～200W/( m·K)。制得的少膠云母帶同時(shí)具有高導(dǎo)熱與高透氣性能，柔軟性好，適用期長(zhǎng)，制備方法經(jīng)濟(jì)環(huán)保。導(dǎo)熱率為0.95W/( m·K)～1.36W(/ m·K)[8]。

文獻(xiàn)[9]研究了高導(dǎo)熱環(huán)氧少膠云母帶的制備。從Al2O3、AlN和BN中篩選出AlN作為膠粘劑的導(dǎo)熱填料，用KH-560處理后分散在聚酯改性的環(huán)氧樹(shù)脂中制成200目膠粉，均勻撒在噴灑過(guò)有機(jī)酸鋅促進(jìn)劑的云母紙表面，經(jīng)輥筒熱壓后粘合云母紙和玻璃布，然后在云母紙面涂覆少量含有機(jī)酸鋅促進(jìn)劑的聚酯膠液，最后經(jīng)過(guò)烘焙、收卷、分切得到云母帶。A1N添加量為膠粘劑質(zhì)量的60%, 制備的高導(dǎo)熱云母帶的導(dǎo)熱系數(shù)為0.35W/( m·K)，其常規(guī)性能和電氣性能接近于普通云母帶TJ5442-1的水平，導(dǎo)熱系數(shù)是TJ5442-1云母帶的1.8倍，能夠滿足電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)的技術(shù)要求。

3 電磁線及應(yīng)用

高導(dǎo)熱電磁線中，銅的熱導(dǎo)率相對(duì)較高，提高電磁線的導(dǎo)熱率只能從漆包線漆來(lái)改善，一般采用將處理后的導(dǎo)熱填料加入到樹(shù)脂基體中，該基體樹(shù)脂一般選用分子結(jié)構(gòu)較為規(guī)整、帶有極性基團(tuán)的樹(shù)脂，如聚酰亞胺、聚酰胺—酰亞胺、聚酯亞胺等等，而納米級(jí)導(dǎo)熱填料的加入，一方面提高電磁線的導(dǎo)熱性，另一方面也使得電磁線耐電暈性有一定提升。

發(fā)明專利CN201110412025.9 公開(kāi)了H級(jí)、200級(jí)電磁線的制造方法。將經(jīng)過(guò)表面活化處理的納米材料加入聚酰亞胺樹(shù)脂中攪拌均勻后送入擠出機(jī)，經(jīng)模套口擠出的絕緣樹(shù)脂擠包在裸銅線上；裸銅線經(jīng)冷卻后，即得到H級(jí)、200級(jí)電磁線。該電磁線消除了漆包線的針孔和繞包線接縫處的間隙，提高了電氣絕緣性能；同時(shí)在其絕緣中加入了具有高耐電暈性、高導(dǎo)熱性的無(wú)機(jī)納米材料，適于提高絕緣層的耐熱性，使導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到0.60W/( m·K)[10]。

發(fā)明專利CN201310072468.7公開(kāi)了一種具備散熱功能的環(huán)氧自粘漆及其制備方法。組成成分按重量份計(jì)如下:甲酚4. 0～6. 0份、二甲苯3. 0～5. 0份、0. 2～0. 6導(dǎo)熱復(fù)合粉、環(huán)氧自粘漆成品113～127份。導(dǎo)熱復(fù)合粉由相同重量比例的氮化鋁粉、氮化硅粉和氮化硼粉混合組成。通過(guò)加入一定量的易于分散的高導(dǎo)熱絕緣材料，并采用配套工藝，最終生產(chǎn)出具有散熱特性的、儲(chǔ)存穩(wěn)定性好且同時(shí)滿足相關(guān)換位導(dǎo)線、特種電磁線標(biāo)準(zhǔn)要求的新型絕緣自粘材料，導(dǎo)熱系數(shù)為1.5～3.2W/( m·K)，賦予繞組線圈在使用過(guò)程中自散熱功能，有效降低導(dǎo)線/繞組的溫升，從而提高線圈繞組的工作壽命[11]。

4 產(chǎn)品及應(yīng)用效果

我公司長(zhǎng)期以來(lái)也一直專注于導(dǎo)熱絕緣材料的制備和應(yīng)用研究，先后研發(fā)了高導(dǎo)熱填充膩?zhàn)?、高?dǎo)熱槽楔、納米改性導(dǎo)熱耐電暈電磁線、高導(dǎo)熱涂刷樹(shù)脂、高導(dǎo)熱澆注樹(shù)脂、高導(dǎo)熱多膠云母帶以及高導(dǎo)熱少膠云母帶等系列產(chǎn)品，在高低壓電機(jī)中也取得了一些應(yīng)用，特別是應(yīng)用于空冷汽輪發(fā)電機(jī)、高功率密度軍工電機(jī)、以及電動(dòng)汽車電機(jī)和變頻電機(jī)中，均取得了良好的效果，可明顯降低點(diǎn)擊溫升，提高電機(jī)容量和功率密度。

5 結(jié)語(yǔ)

高效電機(jī)是目前國(guó)際電機(jī)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。在節(jié)能減排背景下，傳統(tǒng)低效電機(jī)將逐步被淘汰。溫升是電機(jī)損耗和散熱情況的量度，根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定，不同電機(jī)有不同的允許溫升，若超過(guò)規(guī)定溫升，就會(huì)影響電機(jī)的使用壽命甚至?xí)龎?。高?dǎo)熱絕緣材料及其絕緣結(jié)構(gòu)的使用將改變電機(jī)熱場(chǎng)的溫度分布和散熱設(shè)計(jì)，降低電機(jī)繞組溫升，有效地提高電機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量，保證其安全可靠運(yùn)行。

我國(guó)在高導(dǎo)熱材料方面研究起步較晚，因此，資料和成果都相對(duì)較少。如今，科研院所、絕緣材料生產(chǎn)廠和電機(jī)廠都加倍努力和相互交流配合，以加快我國(guó)電機(jī)技術(shù)的發(fā)展步伐，提升我國(guó)高導(dǎo)熱主絕緣材料的整體研發(fā)和制造水平。

[1] 董阜敏,黃祖洪,周鍵.國(guó)內(nèi)外高導(dǎo)熱主絕緣材料的現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)向[J].電氣技術(shù),2009,1:5-8.

[2] 張凱,朱宏,王曉梅，等.中高壓大功率變頻調(diào)速電機(jī)用絕緣漆研究[J].艦船科學(xué)技術(shù),2010,32(8):220-223.

[3] 張先來(lái),饒保林.提高聚酰亞胺浸漬漆熱傳導(dǎo)性能的研究[C].第十屆絕緣材料與絕緣技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.128-133.

[4] 艾倫塔斯電氣絕緣材料(珠海)有限公司.一種浸漬絕緣漆及其制備方法:中國(guó),CN101768404 A[P].2009-12-25.

[5] 株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司. 一種高導(dǎo)熱有機(jī)硅浸漬漆:中國(guó),CN200810143365.4 [P].2008-10-20.

[6] 上海同立電工材料有限公司. 導(dǎo)熱填料在VPI真空壓力浸漬樹(shù)脂中的應(yīng)用:中國(guó)，CN201210004444.3[P].2012-01-06.

[7] 合肥工業(yè)大學(xué). 一種耐溫導(dǎo)熱浸漬絕緣樹(shù)脂:中國(guó),CN201210345466.6[P]. 2012-09-18.

[8] 蘇州巨峰電氣絕緣系統(tǒng)股份有限公司. 一種高導(dǎo)熱高透氣性少膠云母帶及其制備方法:中國(guó),CN201210170533.5[P].2012-05-29.

[9] 李忠良,黃友根,李鴻巖.高導(dǎo)熱環(huán)氧少膠云母帶的制備及性能研究[J].絕緣材料,2014，47(6):36-42.

[10] 江蘇冰城電材股份有限公司. H級(jí)、200級(jí)電磁線的制造方法:中國(guó),CN201110412025.9[P].2011-12-12.

[11] 溧陽(yáng)市佳禾電子材料有限公司.一種具備散熱功能的環(huán)氧自粘漆及其制備方法:中國(guó),CN201310072468.7[P].2013-03-06.

Research of the High Thermal Conductivity Insulation Materials Used in High-Voltage Motors

LiCuicui，GuoShengzhi，NingFangwei，WangWen,WangYi，BanShumei

(1，Suzhou Jufeng Elenctrical Insulation System Co.,LTD.,Jiangsu,Suzhou,215214；2，The 18th Institute China Academy of Launch Vehicle Technology,Beijing,100176)

The thesis reviews the current state of high thermal conductivity insulating resin, high thermal conductivity mica tape and high thermal conductivity electromagnetic wire that applied in high-voltage motors. And the thesis also points out that motors′ temperature can be effectively reduced by increasing the application of high thermal conductivity insulating materials, so that improving the manufacturing level of motors.

High thermal conductivity；Insulation material；High-voltage motor

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.06.19

TM305.2

B

1008-7281(2016)06-0058-004

李翠翠 女 1982年生；畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)高分子化學(xué)與物理專業(yè)，碩士研究生，研究方向?yàn)楦咝阅芙^緣材料.

2016-09-10