高壓電機用高導熱絕緣材料的應用

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股份有限公司，江蘇蘇州215214；2中國運載火箭技術研究院第十八研究所，北京100176)

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高壓電機用高導熱絕緣材料的應用

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股份有限公司，江蘇蘇州215214；2中國運載火箭技術研究院第十八研究所，北京100176)

簡單綜述了國內高壓電機用高導熱絕緣樹脂、高導熱云母帶及高導熱電磁線的研究現狀。指出加快高導熱絕緣材料的應用，將有效地降低電機溫升，提高電機的制造水平。

高導熱；絕緣材料；高壓電機

0 引言

大中型高壓發電機、電動機運行過程中的發熱、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，已成為現代電機技術發展急需解決的問題。提高絕緣層的導熱性是改進電機絕緣的重要措施之一：首先是選擇導熱系數高的絕緣材料；其次是選擇最佳的絕緣處理工藝，以消除空隙、提高絕緣層的密實性。

作為電機最關鍵的絕緣材料是有機高分子材料，在制造和運行過程中，極易受到損傷和破壞。高溫會導致絕緣的電性能、機械性能和使用壽命降低及絕緣件松動等不良現象產生。因此高導熱絕緣材料，已成為現代電機技術研究的重要方向[1]。

目前，對于聚合物材料而言提高其導熱性能的方法主要有以下兩種方式：一是制備本征型導熱聚合物，即聚合物本身擁有良好的導熱性能，但制備工藝復雜、成本高；二是制備填充型導熱聚合物，即以聚合物為基體，添加高導熱絕緣填料，通過一定工藝制備導熱絕緣聚合物復合材料，目前普遍應用這種方法提供材料的導熱性。對國內高壓電機用高導熱的絕緣樹脂、云母帶及電磁線的研究現狀進行了綜述。

1 高導熱絕緣樹脂及應用

高分子材料主要以聲子為導熱載體，因此聚合物的熱導率主要取決于材料的結晶性能的好壞和相關的取向方向，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的強弱、與樹脂界面間的結合性能的好壞以及在材料的成型過程中所產生的各類缺陷等諸多因素都會造成聲子散射的發生。如果樹脂基體中分子間的鏈接結構是具有一定秩序的，那么熱量的傳輸就將會沿著這些分子間的鏈接方向迅速的進行，而且沿著分子鏈的鏈接方向上的導熱效果會比其垂直方向好許多。

目前主要采用在聚合物中添加導熱絕緣填料的方法制備導熱絕緣聚合物材料。一般都是往聚合物基材中添加入部分無機非金屬材料，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熱性，同時也具有優良的絕緣性能、力學性能、耐高溫性能、耐化學腐蝕性能等，因此被廣泛用作電機、電器、微電子領域中的高散熱界面材料及封裝材料等。

在填充型導熱高分子復合材料中，填料的種類、粒徑、形狀、添加量、表面潤濕程度等因素對材料的導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熱性。

文獻[2]研究了硅粉對環氧不飽和樹脂導熱性、電性能的影響。通過四氫苯酐和乙醇胺合成亞胺醇，然后與順丁烯二酸酐反應形成亞胺酸，再與環氧反應至酸值小于20mgKOH/g，降溫加入阻聚劑、甲基苯乙烯和引發劑制成環氧不飽和樹脂漆。純硅粉用硅烷偶聯劑超聲波處理后烘干高速均質分散機上分散到環氧不飽和樹脂中。研究表明硅粉的填充量為30%時，樹脂的粘度為65s，導熱率為0.35W/( m·K)，180℃的介質損耗因數為4.9%，具有良好的電性能和粘結性。

文獻[3]對聚酰亞胺浸漬漆進行了導熱性的研究。研究表明聯苯型聚酰亞胺浸漬漆比較適合用作填充型高導熱的基體樹脂。α-Al2O3與聚酰亞胺相容性比較好，用量在30%時，隨粉體粒徑增大，熱導率、粘接力增大，粒徑增大到400～500nm后，熱導率、粘接力上升開始變慢，目浸漬漆靜置數天后開始有粉體沉淀，100～300nm粒子適合填充本產品。隨其用量的增加熱導率單調增加，但用量增大到30%以后，耐熱老化性能急劇下降。引入30%～35%的無機粉體，常態及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用場合的需求。

發明專利CN101768404 A “一種浸漬絕緣漆及其制備方法”，公開了一種導熱性高的漬絕緣漆及其制備方法，包括以下組成：不飽和聚酯樹脂50～65份、潤濕分散劑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、過氧化物0.5～2.5份。該產品具有良好的導熱性能好、導熱系數0.42～0.57W/( m·K)，可以滿足電機電器產品小型化和低溫升的發展需要[4]。

發明專利CN200810143365.4 公開了一種高導熱有機硅浸漬漆，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，有機硅預聚體40～80份，催化劑0.01～1份，固化劑0.01～1份，經過常規球磨混合均勻制得高導熱有機硅浸漬漆。導熱系數0.38～0.5W/( m·K)[5]。

發明專利CN201210004444.3公開一種導熱填料在VPI真空壓力浸漬樹脂中的應用。采用微波分散技術將晶體粒徑尺寸范圍為2微米到5微米的六方體結構氮化硼，添加量范圍在3%～35%，分散到環氧酸酐體系樹脂中。制得樹脂導熱系數0.24～0.84 W/( m·K)，能夠有效的提高高壓電機絕緣體的導熱系數，降低樹脂體系固化物的熱態介質的損耗，并提升其電氣強度[6]。

發明專利CN201210345466.6公開了一種耐溫導熱浸漬絕緣樹脂。以不飽和聚酯亞胺為主體樹脂，乙烯基甲苯、鄰苯二甲酸二烯丙酯為活性稀釋，過氧化二異丙苯、過氧化苯甲酰叔丁酯為引發劑，添加ZnO,A12O3導熱填料，制備導熱系數0.6～0.8 W(/ m·K)、耐溫等級達到H級的無溶劑浸漬絕緣樹脂[7]。

2 高導熱云母帶及應用

導熱云母帶的制備，一般采用具有較高導熱性能的樹脂作為底膠，貼合粉云母紙與補強材料而得。國外電機用高導熱絕緣材料的研究和應用起步較早，于上世紀80年代就完成了高導熱多膠云母帶的研究，并在電機上得到應用(10.4kV、6.5MW電動機)。我國于1997年開始高導熱多膠粉云母帶的研制工作。研究初期，主要采用α型球狀或準球狀超細Al2O3作為高導熱填料(粒徑約為20～25μm)，初步完成了實驗室的探索研究工作，其間遇到了很多技術和生產工藝問題。后來，隨著納米技術的高速發展，為導熱絕緣材料建立了一個新的研發平臺。采用納米Al2O3球型粉體作為導熱填料，解決了很多工藝問題。樣品帶的試驗線棒測試結果表明：使用納米粉體制備的高導熱多膠粉云母帶的常規電氣性能優異，雖然仍存在電老化性能下降等一些問題，但已使我國高導熱多膠粉云母帶主絕緣的研究向前邁進了一大步。

近年興起的高導熱少膠云母帶的制備中，包括：采用分子規整度高、熱導率高的液晶環氧樹脂作為基體膠粘劑，填充導熱填料，制備出高導熱少膠云母帶，進一步提高導熱性和工藝性；在傳統少膠云母帶玻璃布面涂覆高導熱漿料，提高少膠云母帶的導熱性；與補強材料復合前，在云母紙表面印制條狀或網格狀高導熱膠粘劑，在保證少膠帶導熱性的同時，可以減少膠粘劑的含量，保持較高的柔軟性；對導熱填料的選擇進行優化，如微米級和納米級導熱填料的配合使用、選用導熱納米線或納米棒導通納米顆粒等，以提升膠粘劑的熱導率。國內在高導熱少膠云母帶的研究還相對較少。

發明專利CN01210170533.5公開了一種高導熱高透氣性少膠云母帶及其制備方法。樹脂膠粘劑層包括呈點狀均勻分布在云母紙層和補強材料層的界面上的樹脂膠粘劑，樹脂膠粘劑由導熱率為0.7～1.2 W/( m·K)、粒徑大小為60～200目、熔融溫度為100～180℃的高導熱樹脂粉末構成；導熱短纖維的直徑為0.1～100μm，長度為5μm～10mm，導熱系數為2～200W/( m·K)。制得的少膠云母帶同時具有高導熱與高透氣性能，柔軟性好，適用期長，制備方法經濟環保。導熱率為0.95W/( m·K)～1.36W(/ m·K)[8]。

文獻[9]研究了高導熱環氧少膠云母帶的制備。從Al2O3、AlN和BN中篩選出AlN作為膠粘劑的導熱填料，用KH-560處理后分散在聚酯改性的環氧樹脂中制成200目膠粉，均勻撒在噴灑過有機酸鋅促進劑的云母紙表面，經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酸鋅促進劑的聚酯膠液，最后經過烘焙、收卷、分切得到云母帶。A1N添加量為膠粘劑質量的60%, 制備的高導熱云母帶的導熱系數為0.35W/( m·K)，其常規性能和電氣性能接近于普通云母帶TJ5442-1的水平，導熱系數是TJ5442-1云母帶的1.8倍，能夠滿足電機絕緣結構的技術要求。

3 電磁線及應用

高導熱電磁線中，銅的熱導率相對較高，提高電磁線的導熱率只能從漆包線漆來改善，一般采用將處理后的導熱填料加入到樹脂基體中，該基體樹脂一般選用分子結構較為規整、帶有極性基團的樹脂，如聚酰亞胺、聚酰胺—酰亞胺、聚酯亞胺等等，而納米級導熱填料的加入，一方面提高電磁線的導熱性，另一方面也使得電磁線耐電暈性有一定提升。

發明專利CN201110412025.9 公開了H級、200級電磁線的制造方法。將經過表面活化處理的納米材料加入聚酰亞胺樹脂中攪拌均勻后送入擠出機，經模套口擠出的絕緣樹脂擠包在裸銅線上；裸銅線經冷卻后，即得到H級、200級電磁線。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；同時在其絕緣中加入了具有高耐電暈性、高導熱性的無機納米材料，適于提高絕緣層的耐熱性，使導熱系數達到0.60W/( m·K)[10]。

發明專利CN201310072468.7公開了一種具備散熱功能的環氧自粘漆及其制備方法。組成成分按重量份計如下:甲酚4. 0～6. 0份、二甲苯3. 0～5. 0份、0. 2～0. 6導熱復合粉、環氧自粘漆成品113～127份。導熱復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。通過加入一定量的易于分散的高導熱絕緣材料，并采用配套工藝，最終生產出具有散熱特性的、儲存穩定性好且同時滿足相關換位導線、特種電磁線標準要求的新型絕緣自粘材料，導熱系數為1.5～3.2W/( m·K)，賦予繞組線圈在使用過程中自散熱功能，有效降低導線/繞組的溫升，從而提高線圈繞組的工作壽命[11]。

4 產品及應用效果

我公司長期以來也一直專注于導熱絕緣材料的制備和應用研究，先后研發了高導熱填充膩子、高導熱槽楔、納米改性導熱耐電暈電磁線、高導熱涂刷樹脂、高導熱澆注樹脂、高導熱多膠云母帶以及高導熱少膠云母帶等系列產品，在高低壓電機中也取得了一些應用，特別是應用于空冷汽輪發電機、高功率密度軍工電機、以及電動汽車電機和變頻電機中，均取得了良好的效果，可明顯降低點擊溫升，提高電機容量和功率密度。

5 結語

高效電機是目前國際電機行業的發展趨勢。在節能減排背景下，傳統低效電機將逐步被淘汰。溫升是電機損耗和散熱情況的量度，根據國標規定，不同電機有不同的允許溫升，若超過規定溫升，就會影響電機的使用壽命甚至會燒壞。高導熱絕緣材料及其絕緣結構的使用將改變電機熱場的溫度分布和散熱設計，降低電機繞組溫升，有效地提高電機的產品質量，保證其安全可靠運行。

我國在高導熱材料方面研究起步較晚，因此，資料和成果都相對較少。如今，科研院所、絕緣材料生產廠和電機廠都加倍努力和相互交流配合，以加快我國電機技術的發展步伐，提升我國高導熱主絕緣材料的整體研發和制造水平。

[1] 董阜敏,黃祖洪,周鍵.國內外高導熱主絕緣材料的現狀及發展動向[J].電氣技術,2009,1:5-8.

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

[3] 張先來,饒保林.提高聚酰亞胺浸漬漆熱傳導性能的研究[C].第十屆絕緣材料與絕緣技術學術交流會論文集.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,CN101768404 A[P].2009-12-25.

[5] 株洲時代新材料科技股份有限公司. 一種高導熱有機硅浸漬漆:中國,CN200810143365.4 [P].2008-10-20.

[6] 上海同立電工材料有限公司. 導熱填料在VPI真空壓力浸漬樹脂中的應用:中國，CN201210004444.3[P].2012-01-06.

[7] 合肥工業大學. 一種耐溫導熱浸漬絕緣樹脂:中國,CN201210345466.6[P]. 2012-09-18.

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

[9] 李忠良,黃友根,李鴻巖.高導熱環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、200級電磁線的制造方法:中國,CN201110412025.9[P].2011-12-12.

[11] 溧陽市佳禾電子材料有限公司.一種具備散熱功能的環氧自粘漆及其制備方法:中國,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；畢業于哈爾濱理工大學高分子化學與物理專業，碩士研究生，研究方向為高性能絕緣材料.

2016-09-10