在其中形成有孔的绝缘材料的制作方法

在其中形成有孔的绝缘材料的制作方法
【专利摘要】提供了一种改进的电绝缘带(16)，包括背衬层(20)和结合到背衬层(20)的电绝缘层(18)。电绝缘层(18)和背衬层(20)中的至少一个包含形成在其中的多个孔(26)，以在树脂浸渍期间改善浸渍树脂到绝缘带(16)中的流动。
【专利说明】在其中形成有孔的绝缘材料
【技术领域】
[0001 ] 本发明总体涉及电绝缘带的领域，并且更具体地涉及电绝缘材料和用于将树脂浸溃到电绝缘材料中的改进方法。
【背景技术】
[0002]高压绕组应用于各种机电机器，诸如电动机或发电机。例如，高压绕组通常被称为在高压发电机中使用的定子绕组。诸如定子绕组等高压绕组可以由至少一个线棒形成，线棒又包括一个或多个电导体。个别电导体由诸如铜等导电性高的材料制成。电导体通常单独绝缘并捆扎在一起，以形成线棒。捆束又由绝缘物包围，并且常常被称为绕组绝缘体或对地绝缘体(groundwall insulator)。对地绝缘体通常包含多个绝缘带层,诸如玻璃背衬云母带。覆盖主绝缘(groundwall)的是包围对地绝缘体的外导电接地电极。外导电接地电极可以是导电漆或被包裹的导电带在对地绝缘体上的涂层。外导电接地电极连接到地，这样高压绕组的外表面的电压处于地电位。
[0003]该带可半搭接、对接或以任何其它合适的方式来施加。一般地，云母带的多个层在线圈周围包裹十六层或更多层，一般使用典型的高压线圈。取决于发电机的功率和绝缘体同时在其能力方面的效率，可减少层的数量，以隔离电和热传导。为了赋予更好的耐磨损性并且为了确保更严格的绝缘性，坚韧的纤维材料例如玻璃纤维、石棉等的外带的包裹可施加到线圈。
[0004]绝缘带一般用树脂浸溃，以提高其整体性能。有许多方法来涂覆具有环氧树脂的材料然后固化该产物。一种这样的方法是真空压力浸溃(VPI)。这个方法用在诸如定子导体线圈的器件上。将绝缘带施加到线圈，然后将线圈放置在真空容器中并施加真空。经过一段时间后，允许进入树脂以浸溃线圈。施加压力以促使树脂进入线圈并尽量减少空隙，这将影响导电性。在完成这一步骤之后，加热线圈以固化树脂。该方法的变型--全局VPI(全局真空压力浸溃，GVPI)--涉及工艺:缠绕干的绝缘线圈，然后将整个定子进行真空压力浸溃而不是个别线圈。由于本绝缘带的密度相对较高，通常这样的带存在最佳浸溃如不完全浸溃的问题。不完全浸溃可导致线圈无力抵抗电压应力，并引起过早的击穿和故障。
【专利附图】

【附图说明】
[0005]在下面的描述中参考附图来解释本发明，附图示出:
[0006]图1描绘了根据本发明一方面的围绕定子线圈搭接的绝缘带。
[0007]图2描绘了根据本发明一方面的在其中形成有多个孔的绝缘带。
[0008]图3描绘了根据本发明一方面的绝缘带，具有多个平行于绝缘带的纵向轴线取向的孔。
[0009]图4描绘了根据本发明一方面的绝缘带，具有多个与绝缘带的纵向轴线成一定角度取向的孔。
[0010]图5A-5E示出了位于根据本发明一方面的绝缘带中用于孔的示例性图案。[0011]图6描绘了根据本发明一方面的绝缘带，具有多个孔，延伸通过绝缘层并延伸到背衬层中，但不是一直贯穿背衬层。
[0012]图7描绘了根据本发明一方面的绝缘带，包括带有多个孔的绝缘层和带有从绝缘层的孔偏移的多个孔的背衬层。
[0013]图8描绘了根据本发明一方面的结构稳定的云母片(没有背衬层)，在其中形成有多个孔。
[0014]图9描绘了用于在根据本发明一方面的绝缘带中形成多个孔的激光源。
[0015]图10描绘了用于在根据本发明一方面的绝缘带中形成多个孔的系统。
[0016]图11描绘了用于在根据本发明一方面的绝缘带中形成多个孔的另一系统。
【具体实施方式】
[0017]本发明人已经创新性地开发了一种绝缘带，其在树脂浸溃期间大大提高了浸溃的树脂到绝缘带中的流动性。在一个实施方式中，绝缘带至少包含绝缘层以及通过激光钻孔等形成在其中的多个孔(洞)。在一些实施方式中，孔具有的最大尺寸为10微米或更小，使得树脂浸溃到带中得以改善，同时绝缘带的电学性能没有下降。以这种方式，改进的绝缘带改善了树脂浸溃，但也能够承受在制造和服役期间所述带经历的应力和力。
[0018]现在参照附图，图1示出用于本发明的绝缘带的示例性环境。示例性线圈10包括多匝导体12，多匝导体12组装成胶木线圈14。通过绕胶木线圈14包裹一层或多层的电绝缘带(绝缘带)16来提供对线圈14的接地绝缘。绝缘带16典型地包括电绝缘层(绝缘层)18，绝缘层18通过液体树脂粘合剂22组合或结合到背衬层或背衬片20。
[0019]在一个实施方式中，绝缘层18包括多个云母薄片，多个云母薄片已通过如在本领域已知的常规造纸工艺制成云母片。由于云母薄片和小薄片的大小，已知云母是理想的绝缘体。云母可以是标准云母(白云母、金云母)、黑云母，或者是任何其它合适的云母状硅铝酸盐材料，诸如高岭石、埃洛石、蒙脱石和绿泥石。云母可以制成的大小范围能够变化，但一般的云母处于大尺寸(例如，0.01-0.05mm)的厚度范围内，对于天然存在的和常规加工的云母(包含所有已知常见的矿物形式)而言，最长小片尺寸高达10mm。对于合成云母而言，最长尺寸大小范围可以是在从IOOnm至10，OOOnm的微米和亚微米级范围内。云母不仅善于形成纸，而且对于电树枝工艺而言由于小片创建了高度曲折的路径，云母也是极好的电绝缘材料。不幸的是，云母的隔热也很好，这是不希望的副作用。
[0020]在另一实施方式中，绝缘带16还可包含高导热率(HTC)材料24，其可在生产云母纸的任何合适阶段诸如干燥材料阶段、浆料阶段与云母组合，或者与如美国专利N0.7，846，853中描述的最终产物组合，该美国专利的全部内容通过引用并入本文中。云母纸通常具有的结构可以很容易地夹有这样的HTC材料，诸如金属氧化物、氮化物和碳化物、有机化合物和单体以及聚合物，以得到高介电强度的复合材料。HTC材料24可代替或进一步被包含在浸溃到绝缘带16内的树脂中。
[0021]HTC材料24可包含增加主体基质的导热率的任何合适的颗粒。HTC材料可包括纳米级、中间级和/或微米级的颗粒。在一个实施方式中，HTC材料24包括具有1-1OOOnm尺寸的纳米填料。该纳米填料可以是球形的，可以是小片，可呈现具有诸如晶须、棒或纳米管的高纵横比的形状，和/或可采用组装的形式，诸如粒料、纤维状树突、绳、捆束、网和其它形式。HTC材料24还可包含涂层，诸如类金刚石涂层或其它高导热率材料，如金属氧化物、氮化物和碳化物，它们布置在具有较低导热率的材料上。此外，HTC颗粒可包含活性地接枝到HTC材料的无机或有机表面官能团，其可与浸溃树脂直接或间接地形成共价键(联接)，以形成连续的复合材料。在一个实施方式中，HTC材料经由一个或多个共价键直接结合到浸溃树脂。合适的HTC材料的具体实例在美国专利N0.7，781，063中加以公开，该美国专利的全部内容通过引用并入本文中。
[0022]浸溃到绝缘带16中的浸溃树脂可以是任何合适的树脂或环氧树脂，包含:改性环氧树脂、聚酯、聚氨酯、聚酰亚胺、聚酯酰亚胺、聚醚酰亚胺、双马来酰亚胺、有机硅、聚硅氧烷、聚丁二烯、氰酸酯、烃等以及这些树脂的均匀共混物。此外，浸溃树脂可包含添加剂，诸如交联剂、促进剂和其它催化剂和加工助剂。某些树脂诸如液晶热固性材料(LCT)和1，2乙烯基聚丁二烯将低的分子量特性与良好的交联性能组合。
[0023]绝缘层18典型地用树脂粘合剂22与柔韧的背衬层20 (背衬层20)组合。例如，柔韧的背衬层20可包括玻璃纤维布或聚对苯二甲酸乙二醇酯垫。树脂粘合剂22可以是任何合适的粘合剂材料，诸如本领域已知的环氧化物材料。
[0024]如上面所提到的，绝缘带16可半搭接、对接或以任何其它合适的方式施加在合适的导体周围。一般地，绝缘带16的多个层在胶木线圈14周围包裹16层或更多层，一般使用高压线圈。取决于发电机的功率和绝缘体同时在其能力方面的效率，可减少层的数量，以隔离电和热传导。此后，绝缘带16 —般用树脂浸溃，以大大提高其整体性能。在一个实施方式中，浸溃通过真空压力浸溃(VPI)或全局真空压力浸溃(GVPI)来完成。
[0025]本发明的绝缘带显著改善了在树脂浸溃期间浸溃树脂在其中的流动。现在参照图
2,示出了根据本发明一方面的改进的绝缘带的实施方式，例如绝缘带16。绝缘带16至少包括绝缘层18和形成在其中的多个间隔开的孔26。孔可以是任何大小，只要适合于特定应用即可。在一个实施方式中，孔26的大小做成提供朝向电场应力所需的鲁棒性。在特定的实施方式中，孔26具有10微米(10 μ)或更小的最大尺寸。例如，在一个实施方式中，孔26的直径⑶(如图2中所示)为10微米(10 μ )或更小，以保持云母片的结构和电气完整性并允许用树脂来改进浸溃。
[0026]另外，可以理解，也可控制孔26的深度，以根据需要避免云母穿刺或刺激它。因此，在本文所述的任何实施方式中，可控制孔的深度，使得孔26仅穿过绝缘层18或背衬层20之一而部分地或全部地延伸到所希望的程度。在另一实施方式中，孔26可形成在绝缘层18和背衬层20两者之中，但无需孔26具有完全延伸穿过绝缘层18和/或背衬层20两者的深度。在其它实施方式中，孔26延伸穿过绝缘层18和背衬层20两者。然而，可以理解，在后面的实施方式中，孔26将需要有足够小的直径，并且相对低的粘度的浸溃树脂将需要用于这样的系统以正常运作。
[0027]另外，孔26可以是任何合适的形状，以允许改进树脂通过绝缘带16的流动。在一个实施方式中，同样如图2中所示，孔26具有相对圆形的形状。相对圆形的形状有助于改进树脂在绝缘带16中的渗透性。在另一实施方式中，如图3所示，孔26具有基本椭圆或细长的形状。值得注意的是，图中所示孔26的大小不一定是按比例的，而是为清楚起见被放大的。
[0028]此外，孔26可具有相对于绝缘带14的纵向轴线28的任何希望的方位。在一个实施方式中，如图3所示，孔26的至少一部分平行于绝缘带16的纵向轴线28定向。在另一实施方式中，如图4所示，孔26可相对于绝缘带14的纵向轴线28定向在倾斜的位置，例如以45度的角度定向。孔26可覆盖绝缘带14的任何合适的表面区域。
[0029]孔26可以以任何合适的图案设置在绝缘带16中，这将有助于改善浸溃树脂到绝缘带16中的流动，同时保持其电强度和结构强度。图5A-5E示出了用于绝缘带16的孔26的示例性图案。如图5A所示，例如，孔26在绝缘带16中以对角线图案30形成，孔26的最长尺寸平行于绝缘带16的纵向轴线28定向。如图5B所示，孔26在绝缘带16中以对角线图案32形成，孔26的最长尺寸与绝缘带16的纵向轴线28呈一角度例如呈45°定向。如图5C所示，孔26可以在整个绝缘带16上形成锯齿形图案34。如图所示，孔26可包含边饰36 (沿带16的边缘形成的孔)，使得在包裹时绝缘带16的紧密重叠将利用边饰36在绝缘带16的每一层中提供孔26。如图5E所示，绝缘带16还可包含定心38，这将更大程度地利用半搭接式的搭接。可替代地，孔26可以任何其它希望的排列进行布置，以增加绝缘带16对浸溃树脂的渗透性，包含但不限于格栅和条带。各种类型的图案化不是相互排斥的，而是可彼此组合使用。
[0030]还可以预期，当绝缘带16包括绝缘层18和背衬层20时，本文所述的孔26可并入到绝缘层18和背衬层20中之一或两个之中。在一个实施方式中，如图2中所示，例如，孔26只形成在绝缘层18中，但不形成在背衬层20中。在另一实施方式中，孔26只形成在背衬层20中，但不形成在绝缘层18中。在又一实施方式中，孔26形成在绝缘层18和背衬层20中。当孔26形成在绝缘层18和背衬层20两者中时，绝缘层18中的孔26a和背衬层20中的孔26b可以任何合适的构造相对于彼此定向。在一个实施方式中，如图6所示，绝缘层18的孔26a和背衬层20的孔26b在垂直平面中基本上彼此对准。在替代实施方式中，如图7所示，绝缘层18的孔26a和背衬层20的孔26b可在垂直平面中基本上彼此不对准。
[0031]可以理解，本发明并不限于使绝缘带具有绝缘层和背衬材料。在本发明的某些方面中，如图8所示，绝缘层16可设置为独立的、单层的、结构稳定的片材40，没有背衬层20。如上述任意实施方式，结构稳定的片材40可具有形成在其中的多个孔26。片材40可由云母或任何其它合适的绝缘材料形成，并且可包含或可不包含如本文所述的高导热率材料。任选地，在孔26形成在片材40中之后，片材40可与如本文所述的背衬材料(具有或不具有孔)组合，例如与背衬层20组合，并通过液体树脂粘合剂粘附到其上。
[0032]根据本发明的另一方面，提供了一种制造本文所述的任何实施方式中的绝缘材料的方法。绝缘材料可包括上述的绝缘带16或结构稳定的云母片材40。该方法包括在绝缘材料中形成多个孔26。在一个实施方式中，孔26具有预定的直径和深度。该形成步骤可通过本领域已知的任何合适的方法来完成，如通过机械销钉辊或激光钻孔来完成。在一个实施方式中，形成步骤通过激光钻孔来完成。激光钻孔将材料从绝缘材料去除，以创建孔26。激光的波长和强度可以选择，以便以受控方式与绝缘材料相互作用，这将被本领域技术人员所理解。
[0033]根据本发明的另一方面，激光钻孔可将部件(例如,第一部件)从绝缘材料例如绝缘带16或结构稳定的片材40选择性地去除，同时留下其它部件(例如，第二部件)基本上是完整的。据了解，激光的波长将具有显著效果，如一个部件例如HTC材料(诸如氮化硼)的材料反射率可与第二部件诸如云母的材料反射率大不相同。因此，例如，蒸发/去除材料所需的功率可与用于HTC材料和云母的非常不同。如此，本文所述的方法任选地包含:从基底例如绝缘带16或结构稳定的片材40选择性地去除部件诸如云母和HTC材料之一，同时留下其它部件诸如其它的云母和HTC材料基本上是完整的。
[0034]例如，激光钻孔可通过冲击钻孔或套料芽孔来完成。在冲击钻孔中，射束聚集在基底例如绝缘带16上，达到的光斑等于要形成的孔的直径。在套料穿孔中，激光可相对于基底移动，以形成具有希望的直径和深度的孔。合适的激光钻孔装备可从多种来源得到，包含但不限于美国新泽西州的威科夫的Laser Corp.。
[0035]在一个实施方式中，如图9中所示，来自激光源44的射束42被引导到绝缘材料(例如，绝缘带16)上，并且多个孔26形成在绝缘带16中，同时绝缘带16被保持在固定位置。在另一实施方式中，如图10所示，绝缘材料沿着输送器进行输送，以提供绝缘材料的连续源，并且当绝缘材料输送过激光源44时，孔26形成在绝缘材料中。例如，在一个实施方式中，提供了绝缘材料例如绝缘带16的卷筒46，其形成用于分配一条绝缘带16的供给源。可提供一个或多个辊48，以引导绝缘带16朝向激光源44离开辊46。在另一实施方式(未示出)中，绝缘层18和背衬层20分别输送离开分离辊，并可在任一层与激光源44的激光束42接触之前或之后接合在一起。在本文所述的任何实施方式中，可控制孔的深度，使得所述孔单独地或同时地被部分或全部形成在任一绝缘层18或背衬层20中。也可控制孔的深度，以避免云母穿刺或刺激它。当绝缘材料输送过激光源44时，一般可以了解，功能更强大的激光源可能有不超过IkHz的重复率，这将有可能限制绝缘材料的通过速度。
[0036]激光源44可以是光纤激光源，或者是本领域中已知的任何其它合适的激光源。在操作中，激光源44弓丨导射束朝向绝缘带16，以在绝缘带16中形成多个孔26。可以理解，本领域技术人员将了解，绝缘材料的行进速度连同激光源的波长、脉冲宽度和脉冲频率一起可根据需要而变化，以在绝缘材料中形成具有希望尺寸的孔26，包含但不限于希望的形状、高度、宽度和/或深度。为了实现具有圆形形状的孔26，可提供可移动镜子50，以将来自激光源44的激光束42引导到绝缘材料例如绝缘带16上，并在绝缘带16输送过激光源44时形成圆形形状，如图11所示。
[0037]除了上述考虑，本领域技术人员将理解，衍射量、特定激光源的选择以及激光源44的选定波长将影响到孔26的数目和尺寸。此外，孔26的数量和尺寸可受激光源44和任何结构的射束形状影响，这有助于创建希望的射束形状。激光源44和这样的其它结构可以使用本领域中已知的各种结构进行调整，以提供圆形、椭圆形和顶帽强度轮廓。例如，来自准分子激光器的“自然”射束轮廓一般在轮廓上是“顶帽”的，而不是高斯射束。在一个实施方式中，激光束42进行空间滤波，并在此后被聚集在绝缘材料上以制成单个光斑或孔。最小光斑尺寸约等于激光的波长，但这个最小值随着光斑离开高斯轮廓越多而下降。在另一实施方式中，通过移动绝缘材料例如绝缘带16,或者通过经由翻转跨越并沿着绝缘材料扫描的镜子来移动激光束42,可以控制单个光斑的位置。在再一实施方式中,激光束42被引导通过柱形透镜以形成一条线，然后可将其引导到绝缘材料上。在又一实施方式中，激光束42穿过在其中具有多个洞的掩模。这种穿过产生了大量的射束，这可以用透镜加以聚集，在绝缘材料上例如在绝缘带16上提供多个洞。
[0038]根据本发明的又一方面，提供了一种使用如本文所述的绝缘带16的任何实施方式的方法，绝缘带16具有形成在其中的多个孔26。该方法包括:围绕电导体包裹绝缘带16，以及用浸溃树脂浸溃绝缘带16。绝缘带16中的多个孔26允许改进树脂的浸溃，同时保持绝缘带16的结构稳定性和电气强度。
[0039]虽然在本文中已经示出和描述了本发明的各种实施方式，但显而易见的是，这样的实施方式仅以示例的方式提供。在不脱离本文中本发明的情况下，可以作出许多变化、改变和替换。因此，旨在仅由所附权利要求的精神和范围来限制本发明。
【权利要求】
1.一种电绝缘带，包括: 背衬层；以及 结合到所述背衬层的电绝缘层； 其中，所述背衬层和所述绝缘层中的至少一个包括形成在其中的多个孔。
2.根据权利要求1所述的电绝缘带，其中，所述多个孔具有10微米或更小的最大尺寸。
3.根据权利要求2所述的电绝缘带，其中，所述背衬层和所述绝缘层具有形成在其中的孔，并且其中所述绝缘层的孔和所述背衬层的孔在垂直平面中基本上彼此对准。
4.根据权利要求2所述的电绝缘带，其中，所述背衬层和所述电绝缘层具有形成在其中的孔，并且其中所述电绝缘层的孔和所述背衬层的孔在垂直平面中基本上彼此不对准。
5.根据权利要求1所述的电绝缘带，其中，所述多个孔基本上平行于所述绝缘带的纵向轴线定向。
6.根据权利要求1所述的电绝缘带，其中，所述多个孔相对于所述绝缘带的纵向轴线以一角度定向。
7.根据权利要求1所述的电绝缘带，其中，所述多个孔包括位于所述绝缘带中的对角线图案或锯齿形构造之一。
8.根据权利要求1所述的电绝缘带，其中，所述电绝缘层包括多个高导热率(HTC)填料。
9.根据权利要求1所述的电绝缘带，其中，所述多个孔在所述绝缘带中定向成一列。
10.根据权利要求1所述的电绝缘带，其中，所述多个孔通过激光钻孔形成。
11.根据权利要求1所述的电绝缘带，其中，所述孔具有预定的直径和深度。
12.—种具有电绝缘层的电绝缘材料，所述电绝缘层包括形成在其中的多个孔，其中，所述孔具有10微米或更小的最大尺寸，并且其中所述电绝缘层包括云母。
13.根据权利要求11所述的绝缘材料，其中所述电绝缘材料采用结构稳定的云母片材的形式。
14.一种制造电绝缘材料的方法，包括:在所述电绝缘材料中形成多个孔。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述孔具有10微米或更小的最大尺寸。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述电绝缘材料包括绝缘层，所述绝缘层包括云母。
17.根据权利要求14所述的方法,其中,所述电绝缘材料包括电绝缘带,所述电绝缘带包括结合到背衬层的绝缘层，并且其中所述孔形成在所述绝缘层和所述背衬层中的每个之中。
18.根据权利要求14所述的方法，其中，所述形成是通过激光钻孔完成的。
19.根据权利要求14所述的方法，其中，所述形成是通过机械销钉辊完成的。
20.根据权利要求14所述的方法，其中，所述电绝缘材料包括第一部件和第二部件，并且其中所述形成包括:从电绝缘材料选择性地去除第一部件，同时留下所述第二部件基本上是完整的。
【文档编号】H01B3/04GK103733272SQ201280037327
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2012年5月16日 优先权日:2011年6月8日
【发明者】D.S.西格莱特斯, 韩朝晖 申请人:西门子能量股份有限公司