高压电机用高导热绝缘材料的应用

李翠翠，郭胜智，宁方为，王文，王毅，班淑梅

(1苏州巨峰电气绝缘系统股份有限公司，江苏苏州215214；2中国运载火箭技术研究院第十八研究所，北京100176)



高压电机用高导热绝缘材料的应用

李翠翠，郭胜智，宁方为，王文，王毅，班淑梅

(1苏州巨峰电气绝缘系统股份有限公司，江苏苏州215214；2中国运载火箭技术研究院第十八研究所，北京100176)

简单综述了国内高压电机用高导热绝缘树脂、高导热云母带及高导热电磁线的研究现状。指出加快高导热绝缘材料的应用，将有效地降低电机温升，提高电机的制造水平。

高导热；绝缘材料；高压电机

0 引言

大中型高压发电机、电动机运行过程中的发热、传热、冷却，直接影响到其工作效率、使用寿命和可靠性等重要指标，已成为现代电机技术发展急需解决的问题。提高绝缘层的导热性是改进电机绝缘的重要措施之一：首先是选择导热系数高的绝缘材料；其次是选择最佳的绝缘处理工艺，以消除空隙、提高绝缘层的密实性。

作为电机最关键的绝缘材料是有机高分子材料，在制造和运行过程中，极易受到损伤和破坏。高温会导致绝缘的电性能、机械性能和使用寿命降低及绝缘件松动等不良现象产生。因此高导热绝缘材料，已成为现代电机技术研究的重要方向[1]。

目前，对于聚合物材料而言提高其导热性能的方法主要有以下两种方式：一是制备本征型导热聚合物，即聚合物本身拥有良好的导热性能，但制备工艺复杂、成本高；二是制备填充型导热聚合物，即以聚合物为基体，添加高导热绝缘填料，通过一定工艺制备导热绝缘聚合物复合材料，目前普遍应用这种方法提供材料的导热性。对国内高压电机用高导热的绝缘树脂、云母带及电磁线的研究现状进行了综述。

1 高导热绝缘树脂及应用

高分子材料主要以声子为导热载体，因此聚合物的热导率主要取决于材料的结晶性能的好坏和相关的取向方向，即所谓的声子散射程度的大小。在高分子中，分子与晶格相互间的非谐性振动的强弱、与树脂界面间的结合性能的好坏以及在材料的成型过程中所产生的各类缺陷等诸多因素都会造成声子散射的发生。如果树脂基体中分子间的链接结构是具有一定秩序的，那么热量的传输就将会沿着这些分子间的链接方向迅速的进行，而且沿着分子链的链接方向上的导热效果会比其垂直方向好许多。

目前主要采用在聚合物中添加导热绝缘填料的方法制备导热绝缘聚合物材料。一般都是往聚合物基材中添加入部分无机非金属材料，如金属氧化物A12O3、MgO、ZnO、NiO，金属氮化物AlN、Si3N4、BN，以及SiC 陶瓷等，这类材料既具有高导热性，同时也具有优良的绝缘性能、力学性能、耐高温性能、耐化学腐蚀性能等，因此被广泛用作电机、电器、微电子领域中的高散热界面材料及封装材料等。

在填充型导热高分子复合材料中，填料的种类、粒径、形状、添加量、表面润湿程度等因素对材料的导热性能都有重大影响。另外，采用不同粒径填料混合搭配，使其在基体中均匀分散、有效搭接均有利于提高材料的导热性。

文献[2]研究了硅粉对环氧不饱和树脂导热性、电性能的影响。通过四氢苯酐和乙醇胺合成亚胺醇，然后与顺丁烯二酸酐反应形成亚胺酸，再与环氧反应至酸值小于20mgKOH/g，降温加入阻聚剂、甲基苯乙烯和引发剂制成环氧不饱和树脂漆。纯硅粉用硅烷偶联剂超声波处理后烘干高速均质分散机上分散到环氧不饱和树脂中。研究表明硅粉的填充量为30%时，树脂的粘度为65s，导热率为0.35W/( m·K)，180℃的介质损耗因数为4.9%，具有良好的电性能和粘结性。

文献[3]对聚酰亚胺浸渍漆进行了导热性的研究。研究表明联苯型聚酰亚胺浸渍漆比较适合用作填充型高导热的基体树脂。α-Al2O3与聚酰亚胺相容性比较好，用量在30%时，随粉体粒径增大，热导率、粘接力增大，粒径增大到400～500nm后，热导率、粘接力上升开始变慢，目浸渍漆静置数天后开始有粉体沉淀，100～300nm粒子适合填充本产品。随其用量的增加热导率单调增加，但用量增大到30%以后，耐热老化性能急剧下降。引入30%～35%的无机粉体，常态及300 ℃下的粘接力均有一定提高，耐热老化性能仅稍有下降，50℃热导率由0.37W/( m·K)提高到0.65～0.80W/( m·K)，基本上可以满足一些应用场合的需求。

发明专利CN101768404 A “一种浸渍绝缘漆及其制备方法”，公开了一种导热性高的渍绝缘漆及其制备方法，包括以下组成：不饱和聚酯树脂50～65份、润湿分散剂2～5份、硅微粉20～35份、氮化铝2～10份、稀释剂10～30份、流平剂0.1～2份、消泡剂0.1～3份、过氧化物0.5～2.5份。该产品具有良好的导热性能好、导热系数0.42～0.57W/( m·K)，可以满足电机电器产品小型化和低温升的发展需要[4]。

发明专利CN200810143365.4 公开了一种高导热有机硅浸渍漆，所述的浸渍漆是由三种平均颗粒尺寸为5～10um、10～20um，10～50nm制成混合氮化铝粉体填料，混合粉体填料20～60份，有机硅预聚体40～80份，催化剂0.01～1份，固化剂0.01～1份，经过常规球磨混合均匀制得高导热有机硅浸渍漆。导热系数0.38～0.5W/( m·K)[5]。

发明专利CN201210004444.3公开一种导热填料在VPI真空压力浸渍树脂中的应用。采用微波分散技术将晶体粒径尺寸范围为2微米到5微米的六方体结构氮化硼，添加量范围在3%～35%，分散到环氧酸酐体系树脂中。制得树脂导热系数0.24～0.84 W/( m·K)，能够有效的提高高压电机绝缘体的导热系数，降低树脂体系固化物的热态介质的损耗，并提升其电气强度[6]。

发明专利CN201210345466.6公开了一种耐温导热浸渍绝缘树脂。以不饱和聚酯亚胺为主体树脂，乙烯基甲苯、邻苯二甲酸二烯丙酯为活性稀释，过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酰叔丁酯为引发剂，添加ZnO,A12O3导热填料，制备导热系数0.6～0.8 W(/ m·K)、耐温等级达到H级的无溶剂浸渍绝缘树脂[7]。

2 高导热云母带及应用

导热云母带的制备，一般采用具有较高导热性能的树脂作为底胶，贴合粉云母纸与补强材料而得。国外电机用高导热绝缘材料的研究和应用起步较早，于上世纪80年代就完成了高导热多胶云母带的研究，并在电机上得到应用(10.4kV、6.5MW电动机)。我国于1997年开始高导热多胶粉云母带的研制工作。研究初期，主要采用α型球状或准球状超细Al2O3作为高导热填料(粒径约为20～25μm)，初步完成了实验室的探索研究工作，其间遇到了很多技术和生产工艺问题。后来，随着纳米技术的高速发展，为导热绝缘材料建立了一个新的研发平台。采用纳米Al2O3球型粉体作为导热填料，解决了很多工艺问题。样品带的试验线棒测试结果表明：使用纳米粉体制备的高导热多胶粉云母带的常规电气性能优异，虽然仍存在电老化性能下降等一些问题，但已使我国高导热多胶粉云母带主绝缘的研究向前迈进了一大步。

近年兴起的高导热少胶云母带的制备中，包括：采用分子规整度高、热导率高的液晶环氧树脂作为基体胶粘剂，填充导热填料，制备出高导热少胶云母带，进一步提高导热性和工艺性；在传统少胶云母带玻璃布面涂覆高导热浆料，提高少胶云母带的导热性；与补强材料复合前，在云母纸表面印制条状或网格状高导热胶粘剂，在保证少胶带导热性的同时，可以减少胶粘剂的含量，保持较高的柔软性；对导热填料的选择进行优化，如微米级和纳米级导热填料的配合使用、选用导热纳米线或纳米棒导通纳米颗粒等，以提升胶粘剂的热导率。国内在高导热少胶云母带的研究还相对较少。

发明专利CN01210170533.5公开了一种高导热高透气性少胶云母带及其制备方法。树脂胶粘剂层包括呈点状均匀分布在云母纸层和补强材料层的界面上的树脂胶粘剂，树脂胶粘剂由导热率为0.7～1.2 W/( m·K)、粒径大小为60～200目、熔融温度为100～180℃的高导热树脂粉末构成；导热短纤维的直径为0.1～100μm，长度为5μm～10mm，导热系数为2～200W/( m·K)。制得的少胶云母带同时具有高导热与高透气性能，柔软性好，适用期长，制备方法经济环保。导热率为0.95W/( m·K)～1.36W(/ m·K)[8]。

文献[9]研究了高导热环氧少胶云母带的制备。从Al2O3、AlN和BN中筛选出AlN作为胶粘剂的导热填料，用KH-560处理后分散在聚酯改性的环氧树脂中制成200目胶粉，均匀撒在喷洒过有机酸锌促进剂的云母纸表面，经辊筒热压后粘合云母纸和玻璃布，然后在云母纸面涂覆少量含有机酸锌促进剂的聚酯胶液，最后经过烘焙、收卷、分切得到云母带。A1N添加量为胶粘剂质量的60%, 制备的高导热云母带的导热系数为0.35W/( m·K)，其常规性能和电气性能接近于普通云母带TJ5442-1的水平，导热系数是TJ5442-1云母带的1.8倍，能够满足电机绝缘结构的技术要求。

3 电磁线及应用

高导热电磁线中，铜的热导率相对较高，提高电磁线的导热率只能从漆包线漆来改善，一般采用将处理后的导热填料加入到树脂基体中，该基体树脂一般选用分子结构较为规整、带有极性基团的树脂，如聚酰亚胺、聚酰胺—酰亚胺、聚酯亚胺等等，而纳米级导热填料的加入，一方面提高电磁线的导热性，另一方面也使得电磁线耐电晕性有一定提升。

发明专利CN201110412025.9 公开了H级、200级电磁线的制造方法。将经过表面活化处理的纳米材料加入聚酰亚胺树脂中搅拌均匀后送入挤出机，经模套口挤出的绝缘树脂挤包在裸铜线上；裸铜线经冷却后，即得到H级、200级电磁线。该电磁线消除了漆包线的针孔和绕包线接缝处的间隙，提高了电气绝缘性能；同时在其绝缘中加入了具有高耐电晕性、高导热性的无机纳米材料，适于提高绝缘层的耐热性，使导热系数达到0.60W/( m·K)[10]。

发明专利CN201310072468.7公开了一种具备散热功能的环氧自粘漆及其制备方法。组成成分按重量份计如下:甲酚4. 0～6. 0份、二甲苯3. 0～5. 0份、0. 2～0. 6导热复合粉、环氧自粘漆成品113～127份。导热复合粉由相同重量比例的氮化铝粉、氮化硅粉和氮化硼粉混合组成。通过加入一定量的易于分散的高导热绝缘材料，并采用配套工艺，最终生产出具有散热特性的、储存稳定性好且同时满足相关换位导线、特种电磁线标准要求的新型绝缘自粘材料，导热系数为1.5～3.2W/( m·K)，赋予绕组线圈在使用过程中自散热功能，有效降低导线/绕组的温升，从而提高线圈绕组的工作寿命[11]。

4 产品及应用效果

我公司长期以来也一直专注于导热绝缘材料的制备和应用研究，先后研发了高导热填充腻子、高导热槽楔、纳米改性导热耐电晕电磁线、高导热涂刷树脂、高导热浇注树脂、高导热多胶云母带以及高导热少胶云母带等系列产品，在高低压电机中也取得了一些应用，特别是应用于空冷汽轮发电机、高功率密度军工电机、以及电动汽车电机和变频电机中，均取得了良好的效果，可明显降低点击温升，提高电机容量和功率密度。

5 结语

高效电机是目前国际电机行业的发展趋势。在节能减排背景下，传统低效电机将逐步被淘汰。温升是电机损耗和散热情况的量度，根据国标规定，不同电机有不同的允许温升，若超过规定温升，就会影响电机的使用寿命甚至会烧坏。高导热绝缘材料及其绝缘结构的使用将改变电机热场的温度分布和散热设计，降低电机绕组温升，有效地提高电机的产品质量，保证其安全可靠运行。

我国在高导热材料方面研究起步较晚，因此，资料和成果都相对较少。如今，科研院所、绝缘材料生产厂和电机厂都加倍努力和相互交流配合，以加快我国电机技术的发展步伐，提升我国高导热主绝缘材料的整体研发和制造水平。

[1] 董阜敏,黄祖洪,周键.国内外高导热主绝缘材料的现状及发展动向[J].电气技术,2009,1:5-8.

[2] 张凯,朱宏,王晓梅，等.中高压大功率变频调速电机用绝缘漆研究[J].舰船科学技术,2010,32(8):220-223.

[3] 张先来,饶保林.提高聚酰亚胺浸渍漆热传导性能的研究[C].第十届绝缘材料与绝缘技术学术交流会论文集.128-133.

[4] 艾伦塔斯电气绝缘材料(珠海)有限公司.一种浸渍绝缘漆及其制备方法:中国,CN101768404 A[P].2009-12-25.

[5] 株洲时代新材料科技股份有限公司. 一种高导热有机硅浸渍漆:中国,CN200810143365.4 [P].2008-10-20.

[6] 上海同立电工材料有限公司. 导热填料在VPI真空压力浸渍树脂中的应用:中国，CN201210004444.3[P].2012-01-06.

[7] 合肥工业大学. 一种耐温导热浸渍绝缘树脂:中国,CN201210345466.6[P]. 2012-09-18.

[8] 苏州巨峰电气绝缘系统股份有限公司. 一种高导热高透气性少胶云母带及其制备方法:中国,CN201210170533.5[P].2012-05-29.

[9] 李忠良,黄友根,李鸿岩.高导热环氧少胶云母带的制备及性能研究[J].绝缘材料,2014，47(6):36-42.

[10] 江苏冰城电材股份有限公司. H级、200级电磁线的制造方法:中国,CN201110412025.9[P].2011-12-12.

[11] 溧阳市佳禾电子材料有限公司.一种具备散热功能的环氧自粘漆及其制备方法:中国,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；毕业于哈尔滨理工大学高分子化学与物理专业，硕士研究生，研究方向为高性能绝缘材料.

2016-09-10