无机材料在耐高温绕组线制备中的应用

李　福

（上海电缆研究所，上海200093）

无机材料在耐高温绕组线制备中的应用

李福

（上海电缆研究所，上海200093）

近年来国内外绕组线的应用已呈现出逐步淘汰低耐热等级的产品，转而使用200级及以上耐热等级产品的趋势。随着电机、航空、机车用发电机等装备的大功率、小型化的发展，对其所配套的绕组线圈提出了越来越高的耐热性能和小型化的要求。介绍不同绝缘方式的耐高温绕组线的研究和性能分析，从无机纳米改性漆包线绝缘漆、复合绝缘结构、纯无机绝缘绕组线等三个方面说明无机材料在耐高温绕组线制备中的应用。关键词：无机材料；耐高温；绕组线

0 引 言

当前，随着科学技术的发展和产品设计水平的提高，电机、电器、变压器及电子元器件对电器绝缘系统的耐热性要求越来越高。对于所使用的绕组线，除了要求有良好的电性能、机械性能、化学性能以及耐加工性能外，还必须有优良的耐热性。

近年来国内相继研制出H级、C级的各类绕组线，但240级以上的耐高温绕组线的开发却并不多。国外对耐高温绕组线的相关产品介绍较多，如日本企业推出的300级复合绝缘漆包线，美国的无机陶瓷绝缘绕组线等，但在我国并不销售，对这些产品的性能也知之甚少。国内航空航天及核电领域装备对耐高温绕组线的需求较大，这也促进了我国C级以上绕组线的发展，但因可用于绕组线加工的耐高温绝缘材料品种有限，以及对这些材料加工方式的研究不多，导致我国C级以上绕组线的开发较少。

通过采用新的绝缘材料及对已有绝缘材料的改性来提高绕组线的耐温等级已成为必然的趋势，同时新的制备技术可以在降低绝缘厚度、提高绕组散热效率方面取得突破。通过与绝缘层导热率的提高相配合，提高绕组在使用过程中自身的散热效率，这也从另一个方面使得绕组线可以在更高的环境温度下使用。

1 无机纳米改性漆包线绝缘漆的应用

采用无机纳米材料改性绝缘漆在绕组线领域较为成功的是耐电晕漆包线绝缘漆。这里介绍的是一种纳米改性技术在提高绝缘漆温度等级方面的应用。通过无机纳米材料改性绝缘漆来提高绝缘漆的耐热等级，从而达到绕组线高耐热等级，结构如图1所示。

初步研究表明，在聚酰亚胺漆中添加纳米二氧化硅可显著提高漆膜的耐高温性能，特别是短期耐高温性能，如图2所示。

当二氧化硅颗粒含量达到0.2％（占漆膜重量比）时，漆膜分解起始温度点由540.6℃提高到547.5℃；当二氧化硅颗粒含量达到1.0％（占漆膜重量比）时，漆膜分解起始温度点由540.6℃提高到55S.9℃。从漆膜失重百分比可更为明显地发现，在540℃左右，通过二氧化硅（颗粒含量达到0.2％）改性的聚酰亚胺漆膜，失重为10.1％，而没有改性前单纯聚酰亚胺漆膜失重达到了27.1％。

图1　无机纳米改性绝缘漆包线结构

图2　无机纳米改性前后绝缘漆膜失重（TG）图

通过温度指数和热冲击试验也验证了，无机纳米材料改性聚酰亚胺漆可明显提高漆包线的热级。初步试验表明，仅用0.2％的二氧化硅颗粒改性聚酰亚胺漆，其制备的漆包线热级可达到250级以上。随着研究的深入，热级还有望进一步提高。

据报道，日本制备出耐热等级高达2S0的无机纳米改性绝缘漆漆包线。该产品除了耐热等级远高于通常的聚酰亚胺漆包线，而且耐摩擦性能非常优异。此外国内也有漆包线生产厂家采用无机纳米材料改性绝缘漆制备高导热型漆包线、耐磨型漆包线等。

2 高导热薄漆膜无针孔漆包线

无针孔漆包线最早由日本漆包线企业提出，具有优良的电气绝缘性能，如完全无“针孔”。IEC已提出了相关产品和试验方法标准草案，但国内鲜有生产企业对此进行研究开发。一般来说，无针孔漆包线的漆膜厚度较大（FIW3以上），这里要介绍的是一种无机纳米材料改性聚酰亚胺薄漆膜无针孔漆包线。它在保证电气性能、机械性能、化学性能等要求的前提下，通过降低绝缘厚度、提高绕组散热面积，从而提高绕组在使用过程中自身的散热效率，这也从另一个方面使得绕组线可以在更高的环境温度下使用。

以一种无机纳米材料改性聚酰亚胺薄漆膜无针孔漆包线为例，导体直径为0.09 mm，绝缘厚度0.009 mm，通过与同规格普通双零线比较（表1所示），可以看出在相同绝缘厚度下，薄漆膜无针孔漆包线具有更好的耐电压性能和更高的漆膜均匀性。通过在直径10 mm、宽5 mm、高5 mm的模具内绕制300圈后制得的线圈上进行通电流试验，可以看出薄漆膜无针孔漆包线绕制的线圈可以承受更大的电流载荷，并可以在更高的温度环境下使用（表1所示）。这主要得益于涂漆均匀性的提高，使得绕制的线圈更紧密、更易于热传导，通常线圈烧毁发生在线圈自身发热超过散热速率的一瞬间。

表1　薄漆膜无针孔漆包线与同类绝缘同规格漆包线的主要性能对比

无机纳米材料改性聚酰亚胺薄漆膜无针孔漆包线的生产技术目前还不成熟，主要难度在于合适的绝缘漆粘度、合适的涂漆方式、多道的涂漆张力控制和在线监测技术，这些仍需要进一步的改进。在目前更高耐热等级的漆包线尚未开发使用的情况下，通过工艺技术的改进来提高散热效率，间接提高漆包线的使用环境温度也不失为一种较好的方式。值得一提的是，在漆包扁线方面，超薄厚度、大宽窄比的产品开发可以使相同截面下绕组线的散热面积增加50％以上，这点也引起了很多电机、小型变压器设计单位的注意。

3 复合绝缘材料的应用

传统绕组线的耐温等级通常在240级以下，随着国内航空航天及核电领域装备对绕组线的热级要求越来越高，相关生产企业也做了大量的研发工作。采用云母、玻璃丝等耐热材料所制备的耐高温绕组线也大量出现。虽然这类绕组线的温度等级无法采用现有标准检测，但行业的通用方法是以云母、玻璃丝绕包后涂覆的绝缘浸渍漆的耐热性能来间接评价。

一种采用环氧树脂、有机硅中间体反应合成环氧改性有机硅树脂，通过添加复合无机粉体、分散剂、固化剂和其他有机助剂等制备出耐高温绝缘漆，突破了传统绝缘漆的限制。在高温下（400℃以上）有机硅分解，通过“丘岛效应”形成坚固的外壳［1］，配合云母、玻璃丝等耐高温材料可以在较高的温度下长期使用，绝缘结构如图3所示。

图3　复合绝缘绕组线结构

对采用耐高温绝缘漆和常用的C级纤维绕包绕组线粘结绝缘漆涂覆的绕组线进行500℃、1 000 h的老化试验，结果如图4所示。

图4　老化趋势分析

由图4可以看出，采用耐高温绝缘漆涂覆的复合绝缘绕组线在500℃高温下老化150 h之前击穿电压逐步下降，在150 h后排除各个试样的电压差别，基本上保持在3 300～3 400 V之间，无机烧结层比较坚固。采用C级纤维绕包线粘结绝缘漆涂覆的线，在500℃高温下老化10 h内涂覆层就已经分解挥发，因此击穿电压下降明显。

图5是耐高温绝缘漆在500℃高温下老化150 h后的绝缘层和纯无机粉体的红外光谱对比。

图5　无机粉体与绝缘漆层老化前后的红外光谱图

从图5样品老化前后与无机粉体的红外光谱图可以看出，在老化0～150 h之间试样的绝缘漆层正逐步无机化，在150 h后有机成分已基本分解挥发完，无机烧结层比较坚固。

通过复合绝缘材料来制备耐高温绕组线是一种可行的方式，但需要在耐高温绝缘浸渍漆的开发以及如何降低绝缘厚度方面进行进一步的研究。

4 无机绝缘绕组线

国外很早就出现了无机绝缘线（即陶瓷绝缘线）［2］，用于导弹、变压器和特种电机。自1973年和1979年的石油危机以来，为了在汽车领域和机器领域中节约能源，国内外开始积极地开展使器件和设备小型轻便或改进其性能的工作，于是需要耐热性更好的绝缘线。据相关文献报道，美国军工厂普通规格陶瓷线耐温从-267℃到600℃，短期使用温度可达1 000℃，使用寿命2 500 h（长期工作于537℃），温度降低寿命明显延长。但陶瓷绝缘电磁线缺点在于吸潮，不适合在潮湿环境使用，而且成本很高。与此同时，国内开始研制适用于核反应堆、蒸汽发电机以及空间研究火箭的无机绝缘线。

比较典型的制备方法如下：

（1）导体采用镀镍圆铜线，镀镍圆铜线采用的连续电镀工艺可分为两种：一种是先镀胚料，再拉丝至所需规格；另一种是对所需规格的铜线直接镀镍。

（2）陶瓷绝缘材料的选取。需选择具有良好的电气绝缘性能、与导体附着力强、弹性好、抗冷热冲击、较大的膨胀系数、熔点低等特征的陶瓷材料。

（3）绝缘涂覆。将陶瓷绝缘材料在高温下热熔，再涂覆于导体表面，冷却后收线。

采用高温熔融陶瓷粉末涂覆于导体表面的工艺来制备的陶瓷线，其陶瓷在导体表面很难涂覆烧结均匀，并难以避免缺陷的存在，同时耐电压能力不强，一般在500 V以内。同时陶瓷材料很硬，难以弯曲（如表2所示），这些都极大地限制了陶瓷线的使用。

表2　陶瓷绝缘电磁线弯曲半径［3］

目前机电行业中常用的氧化铝膜绝缘线绕组线在生产过程中，还是大量使用浓硫酸处理金属铝线得到氧化膜绝缘层的生产工艺，不仅产生废水、废气污染环境，而且制得的涂膜柔韧性差，在绕线或弯曲时容易损伤氧化膜。

因此，无机绝缘绕组线不仅需要具有良好的耐热性和可靠性，而且在绕线成形时，需要具有类似于普通有机漆包线具备的可卷绕性。为了满足这些要求，一种绝缘可无机化的绕组线的制备方法应运而生。在制备过程中，这种绝缘线呈现出如同漆包线一样优良的柔软性。该绝缘线绕成线圈再烧结，之后就转变成了陶瓷绝缘绕组线，且在使用中显示出无机绝缘线所具有的一些特性。虽然无机化成膜后存在绝缘膜较脆、易出现针孔等缺陷，但这种无机绝缘线的制备方式仍值得关注。

5 结束语

目前我国绕组线工业发展迅速，同时也面临着更为激烈的竞争环境。如果不能改变技术创新能力和研发能力较差的现状，就一定会贻误发展的机遇，对于企业而言是否有创新能力是决定企业可持续竞争优势的关键。200级及以上耐热等级的绕组线的使用量不断扩大，其代替较低耐热等级产品的趋势也十分明显。对耐高温绕组线新材料、新产品的研究与开发，新的绝缘设计和制备技术以及高精密度绕组线制造设备（漆包机、绕包机、挤出机等）一方面可以通过自主创新，另一方面可以通过对国外先进新产品和新技术的学习和引进，消化和吸收转化为自身的发展动力，不断缩小与发达国家先进技术水平之间的差距。

［1］ 王海风，韩文爵，王依民，等.超细玻璃粉增强环氧树脂的研究［J］.化工新型材料，2007（1）：19-22.

［2］ 曹维敏.陶瓷绝缘线［J］.光纤与电缆及其应用技术，1992 （1）：12-17.

［3］ 张志昌，刘公超.耐高温陶瓷绝缘电磁线［J］.电线电缆，19S0（2）：1S-21.

The Application of Inorganic Materials in Preparation of High Temperature Resistant Winding Line

LIFu
（Shanghai Electric Cable Research Institute，Shanghai200093，China）

In recent years，with the development of the generator used in the motor，aviation and motorcycles，the supporting winding wires require higher heat-resistance and miniaturization.The development of the winding wires are increasingly showing out of low heat level，extensive use of the situation of the heat levels of 200 and above.In this Paper，through the introduction of the high temperature of different insulation winding line research and performance analysis，from the inorganic nanometer modified enameled wire insulation paint，composite insulation structure to the pure inorganic insulation winding line three aspects that the application of inorganic materials in preparation of high temperature resistant winding line.

inorganic materials；high heat-resistance；winding wire

TM245.3

A

1672-6901（2015）02-0030-04

2014-10-30

李 福（19S0-），男，工程师，硕士.

作者地址：上海市军工路1000号［200093］.