绕组式导体布置及用于使绕组式导体绝缘的方法与流程

本发明涉及用于电机的绕组式导体的领域，具体地，涉及用于电机的绕组式导体的绝缘。本发明进一步涉及用于使用于电机的绕组式导体绝缘的方法。

背景技术：

使比如电动机或发电机的线圈或罗贝尔线棒之类的绕组式导电体绝缘，从而不仅避免线圈的单绕组之间的接触，而且还避免线圈与例如电动机的定子之类的电动机的其他导电构件之间的短路。例如，主壁绝缘(例如云母带和浸渍树脂)用于使处于全电势的绕组式导体与处于地电势的定子铁心绝缘。

目前，使用所谓的真空压力浸渍(vpi)技术，且该技术被许多机器制造商广泛地应用。在此过程中，多层云母带卷绕于导体上。多层云母带浸渍着热固性树脂，且随后热固化，以获得所谓的主壁绝缘-最终的云母-树脂的复合材料。在电动机和小型发电机(<15kv)的情况下，在全局vpi过程中，完整的具有插入的形式的定子-绕组式线圈完全地浸渍。对于大型发电机，个别地制造绝缘的罗贝尔线棒且使其浸渍(单vpi)。

使用云母带和树脂浸渍的原理在近一个世纪未曾改变，且良好地建立，从而按复杂的导体形状和总体大小产生主壁绝缘，比如用于大型电机的线圈或罗贝尔线棒。现今，为了创建制成的定子线圈和罗贝尔线棒，机器人在线圈成型、绝缘贴带和固结的广泛应用改进了已知的过程。然而，这些程序仍然耗时且要求多个步骤。

更值得注意的是，在浸渍过程和材料的方面，仅取得了很小的发展，依然存在所有的缺陷：由于化学气体从大型vpi罐蒸发，因而在车间中处理液态树脂(一般为环氧酸酐和聚酯树脂体系)的过程导致健康和安全以及环境问题。在同样地导致必须清除的化学烟雾的同时，浸渍和固化两者都耗费时间(许多个小时)和能量(大型炉的加热)。

此外，由于仅仅低粘度的液态树脂可应用于这一已知的过程中，因而过程仅限于热固性材料。云母带浸渍(所以：以液体填充间隙)的原理将始终承担导致设计领域限制的空洞和局部放电的风险。

发明概要

鉴于上文，提供根据权利要求1的绕组式导体布置、根据权利要求12的包括绕组式导体布置的电机以及根据权利要求13的用于使电机的绕组式导体绝缘的方法。自从属权利要求、描述和附图显而易见本发明的更多的方面、优点和特征。

根据本发明的方面，提供电机的绕组式导体布置。绕组式导体布置包括绕组式导体，绕组式导体包括具有导电率值的导电材料。绕组式导体布置进一步包括：绝缘层，由包括绝缘材料的可收缩式管至少部分地围绕绕组式导体设置；和中间层，设置于绕组式导体与绝缘层之间。中间层具有比绕组式导体的导电率值更小的导电率值。

根据本文中所描述的实施例的绕组式导体布置提供通过传统的vpi技术而获得的云母-树脂主壁绝缘的有利的备选方案。根据本文中所描述的实施例的绕组式导体布置提供若干个优点，比如，由于更低得多的局部放电(pd)、缩短的处理时间、简化的处理步骤而导致的更好的电气性能，具有更高的电场和/或更高的电压的提高的性能，以及更少的环境、健康和安全问题。另外，具体地，在导电体和绕组的复杂形状的情况下，方法能够应用于其他mv和hv电气装置绝缘。

根据本发明的又一方面，提供用于使电机的绕组式导体绝缘的方法。该方法包括：将绕组式导体配合于可收缩式管中，该可收缩式管提供至少一层绝缘材料，该绝缘材料配置成用于提供绕组式导体的主电气绝缘；和通过热处理而对使围绕绕组式导体的可收缩式管收缩。用于使绕组式导体绝缘的方法进一步包括，将中间层设置于绕组式导体与绝缘层之间，其中，中间层具有比绕组式导体的导电率更小的导电率。

本文中所描述的实施例允许使用于使绕组式导体绝缘的过程与vpi技术相比而简化。简化的过程导致降低的生产成本，这转而影响最终产品的成本。而且，根据本文中所描述的实施例的方法与已知的过程相比而不那么耗时，且因此，可以帮助提高生产线的生产力。

附图简述

将参考附图中所图示的优选的示例性的实施例，在下文的文本中，更详细地解释本发明的主题，其中：

图1a是电机的线圈的示意图；

图1b是可以用于根据本文中所描述的实施例的绕组式导体布置中的绕组式导体的示意图，

图2a显示根据本文中所描述的实施例的绕组式导体布置的示意正视图；

图2b显示根据本文中所描述的实施例的绕组式导体布置的示意透视图；

图2c显示根据本文中所描述的实施例的绕组式导体布置的示意正视图；

图3显示测试布置中的测试导体的示意截面图；并且，

图4显示根据本文中所描述的实施例的用于使绕组式导体隔离的方法的流程图。

附图中所使用的参考符号及其含义在参考符号的列表中以概述的形式列出。原则上，给同一零件提供图中的相同的参考符号。

本发明的优选的实施例

根据本文中所描述的实施例，提供绕组式导体布置，具体地，该布置用于电机中。例如，根据本文中所描述的实施例的绕组式导体布置可以用于电动机、发电机和/或变压器中。

图1a显示电动机的基本结构中的绕组式线圈的一示例。电动机100包括定子101和转子102。定子101示例性地显示为具有定子铁心105，定子铁心105例如设置成圆柱那样的形状，且设置有与电源连接的六个绕组式导体106或多匝，比如线圈或绕组。磁转子102(还可以包括绕组式导体，为了简单起见，未在图1a中显示该绕组式导体)可以适合于围绕在图纸的平面上指向的轴104旋转。通过在绕组106中提供电流而感应磁场。由于由绕组106通过磁力而感应的磁场之一的极性而可以使磁转子102沿所生成的磁场的方向旋转。使转子102旋转，直到转子102和绕组106的磁场的相反的极点面向彼此为止。然后，可以使绕组106换向，并且，转子102和绕组106的磁极(在换向之后，具有相同的极性)彼此排斥。由于彼此排斥和吸引的转子102与各绕组106之间的磁力而使转子102连续地旋转。以这种方式，可以实现转子102的旋转运动。应当理解到，如本文中所提到的电机不限于图1a中所显示的设计，并且，例如，线圈可以围绕转子静止地布置。

通常，如本文中所提到的电机可以为针对高电压的电机。例如，电机和根据本文中所描述的实施例的绕组式导体布置可以适合于典型地，大于1kv，更典型地，大于大约15kv，且还更典型地，大于大约30kv的额定电压。在一些实施例中，电机和根据本文中所描述的实施例的绕组式导体布置可以适合于电机，比如以大约50hz的频率工作的电动机或发电机。

图1b显示绕组式导体110的又一示例的局部视图。图1b显示罗贝尔线棒110，在本文中所描述的实施例中，罗贝尔线棒110可以用作电机中的绕组式导体。罗贝尔线棒110包括围绕彼此卷绕的由导电材料制成的若干个导线束111。

应当理解到，本发明的实施例不限于图中所显示的实施例。更确切地说，图中所显示的实施例仅仅是示例，例如绕组式导体的示例。更多的示例可以包括针对用于生成磁场的电机而配置的其他绕组式导体布置。根据本文中所描述的一些实施例，用语“配置成用于比如电动机、发电机或变压器之类的电机中”可以理解为，在大小、尺寸、形状、绕组的数量、材料等可以适合于用于相应的电机中。可以根据电机的大小和预期应用，而选择适合于电机的绕组式导体的大小、尺寸、形状、绕组的数量以及材料。

根据本文中所描述的实施例，图1b的单导线束111可以彼此隔离，线圈的单导线也是如此。例如，在卷绕成绕组式导体布置之前，单导线束或导线可以涂层有隔离的材料。然而，由于绕组式导体在电机中的应用而导致，理想的是，具有与比如磁铁、导电材料、电气线路等之类的其他电机构件隔离的绕组式导体。

本发明的实施例涉及用于电机(例如电动机和发电机)中，尤其是，用于高电压机器的电机中的绕组式线圈和罗贝尔线棒的绝缘材料及过程构思。在本文中所描述的实施例中，电机的绕组式导体布置包括：绕组式导体，包括具有导电率值的导电材料；和绝缘层，由包括绝缘材料的可收缩式管至少部分地围绕绕组式导体设置。而且，中间层设置于绕组式导体与绝缘层之间。典型地，中间层具有比绕组式导体的导电率值更小的导电率值。根据本文中所描述的一些实施例，围绕绕组式导体设置的可收缩式管可以包括在收缩过程中已收缩的可收缩式管。

用语“至少部分地围绕绕组式导体设置”可以理解为，绕组式导体可以被绝缘层至少部分地围绕，例如并非遍及绕组式导体的全长地围绕。在一个实施例中，至少部分地围绕绕组式导体设置的绝缘层可以理解为，将被隔离的绕组式导体的表面的至少60%可以被绝缘层覆盖，更典型地，将被隔离的绕组式导体的表面的至少70%可以被绝缘层覆盖，且还更典型地，将被隔离的绕组式导体的表面的至少80%可以被绝缘层覆盖。根据一些实施例，绕组式导体可以包括实质上笔直的部分(例如，在定子槽内)和实质上弯曲的部分(例如，定子的悬垂部)，其中，绝缘层围绕绕组式导体的笔直的部分设置，然而，悬垂部可能未被绝缘层覆盖。在一些实施例中，部分地围绕绕组式导体设置的绝缘层可以理解为，绝缘层并未遍及全长以360°围绕绕组式导体，而可能是例如包括沿着绕组式导体的限定的长度或甚至绕组式导体的全长延伸的无绝缘材料的狭缝。

根据一些实施例，中间层可以具有比绝缘层的导电率值更大的导电率值。在本文中所描述的一些实施例中，中间层可以包括半导体材料。典型地，在此上下文中使用的用语“半导体”应当被理解为具有导体(比如铜)的导电率与绝缘体(比如玻璃)的导电率之间的导电率的材料。根据一些实施例，中间层可以具有典型地在20°c下为大约10^-5s/m与大约10³s/m之间的导电率值，且更典型地，在20°c下为大约10至大约10²s/m之间的导电率值。与此相比，如本文中所提到的导体可以被理解为具有传输电力的性质的材料。典型地，如本文中所提到的导体可以具有在20°c下等于或大于10³s/m的导电率值。绝缘体或如本文中所使用的绝缘材料可以被理解为抵抗电力的材料。绝缘材料的导电率可以典型地在20°c下为从大约1*10^-8至大约1*10^-20s/m，且更典型地，从1*10^-9至1*10^-16。例如，al2o3的导电率为从10^-10至10^-12s/m。

根据本文中所描述的实施例，借以将绝缘层涂敷于根据本文中所描述的实施例的导体上的可收缩式管，可以用作围绕绕组线圈或线棒的主电气绝缘层，且可以表示为主壁绝缘(将在下文中详细地解释主壁绝缘)。根据一些实施例，设置有可收缩式管的绕组式导体可以包括具有例如收缩过程之后的可收缩式管之类的收缩后的管的绕组式导体。典型地，可收缩式管能够为任何合适的类型的可热收缩式或可冷收缩式聚合物材料和复合材料。例如，可收缩式管可以包括从由以下的材料组成的组选择的至少一个材料：聚合物材料、聚合物复合材料、聚烯烃、含氟聚合物、聚酯基材料、pvc、氯丁橡胶以及聚酯酰亚胺。根据一些实施例，选择绝缘材料，以作为抵抗局部放电的材料。

在可以与本文中所描述的其他实施例组合的一些实施例中，可收缩式管包括比如包括对可收缩式管进行加热和/或对可收缩式管进行冷却的处理之类的热处理下的大约2:1至6:1的收缩比。根据一些实施例，在热处理下，可收缩式管的收缩比可能甚至高于6:1。根据一些实施例，在收缩之前，可收缩式管可以具有一定水平的湿度。在其他备选的或另外的实施例中，可收缩式管可以具有随温度而变的弹性。例如，比如聚烯烃基材料之类的本文中所描述的实施例中所使用的材料的收缩温度可以为大约100°c与大约120°c之间或更高。根据其他实施例，比如含氟聚合物基材料之类的本文中所描述的实施例中所使用的材料的收缩温度可以为大约150°c与大约175°c之间或更高。

在一些实施例中，可收缩式管可以为可冷收缩式管，具体地，不施加热，就使可冷收缩式管收缩。例如，可以给可收缩式管设置供应带，为了引起收缩过程，去除该供应带。技术人员将理解，用语“热处理”可以包括收缩的管发生收缩的温度下进行的处理。

根据本文中所描述的一些实施例，例如通过在大小和材料的方面适应，从而可以使可收缩式管适应，以便于在收缩过程之后，提供围绕绕组式导体的紧配合。在一个实施例中，紧配合可以包括收缩后的管与绕组式导体之间的接触，具体地，遍及典型地，收缩后的管的至少85%的区域，更典型地，收缩后的管的至少90%的区域，且还更典型地，收缩后的管的至少95%的区域的在收缩后的管与绕组式导体之间的接触。根据一些实施例，由收缩后的管提供的绕组式导体的涂层可以提供绕组式导体的表面的连续涂层。典型地，将被隔离的绕组式导体的表面的至少60%可以被收缩后的管覆盖，更典型地，将被隔离的绕组式导体的表面的至少70%可以被收缩后的管覆盖，且还更典型地，将被隔离的绕组式导体的表面的至少80%可以被收缩后的管覆盖。根据本文中所描述的一些实施例，将被隔离的绕组式导体的表面可以被理解为，在电机中或在运行的期间面向另一导电表面(例如定子铁心)的绕组式导体的表面。根据备选的或另外的实施例，将被隔离的绕组式导体的表面可以包括绕组式导体的整个表面。根据一些实施例，绕组式导体可以包括实质上笔直的部分(例如，在定子槽内)和实质上弯曲的部分(例如，定子的悬垂部)。典型地，绕组式导体的实质上笔直的部分的多于85%，更典型地，多于90%，且还更典型地，多于95%可以被收缩后的管覆盖。在一些实施例中，定子槽中的绕组式导体的实质上笔直的部分可以完全地被收缩后的管覆盖。

本文中所使用的用语“实质上”可以意味着，可能存在与以“实质上”表示的特性的一定的偏差。例如，用语“实质上笔直”是指，元件的布置可能与严格笔直布置相比存在一定的偏差，比如沿着笔直元件的全长的大约1%至大约15%的偏离笔直布置的偏差。

根据本文中所描述的一些实施例的绝缘构思还包括中间层，中间层是降低高电场应力的位于绝缘件与导体之间的半导电层。半导体材料可以由导电聚合物材料或复合材料组成。在后一种情况下，聚合物材料可以填充有比如炭黑之类的导电颗粒。在一些实施例中，半导电材料可以由填充有任何有机添加剂(例如，抗氧化剂)或无机填料(例如，氧化铝或云母)的绝缘材料形成。根据一些实施例，中间层可以包括来自由以下的材料组成的组中的至少一种材料：导电聚合物材料(例如，如在上文中关于绝缘层而描述的聚合物)、导电复合材料、填充有炭黑的硅树脂、环氧树脂、乳香树脂、包括如tio2、v2o5、cr2o3、mno、fe2o3、coo、nio、cu2o、zno、zns、ta2o5、y2o3、zro2、nb2o5、moo3、in2o3、sno2、la2o3、ta2o5、wo3、sic、b4c、wc、w2c、tic、zrc、hfc、nbc、tac、cr3c2、mo2c、snxsbyoz的填料的材料、铝的金属层、贵金属、环氧树脂、硅树脂、聚酯树脂、聚酯酰亚胺树脂、pu、丙烯酸树脂以及酚醛树脂。

与通过传统的vpi(真空压力浸渍)技术而获得的云母-树脂的主壁绝缘相比，根据本文中所描述的实施例的绝缘是有前途的备选方案。该绝缘提供许多益处，比如由于低得多的pd而导致的更好的电气性能、缩短的处理时间、简化的处理步骤，以及更少的环境、健康和安全方面的问题。

图2a和图2b显示根据本文中所描述的实施例的绕组式导体布置的示意图。绕组式导体布置200包括绕组式导体201，为了简单起见，绕组式导体201显示为块状金属。在实际的应用中，绕组可以由具有导线束和线匝绝缘件的多个导线束组成。绕组式导体布置200进一步包括中间层202，中间层202可以为如上所述的中间层。在图2a和图2b中所显示的实施例中，中间层202和绝缘层203围绕导体201。

在一个实施例中，在应用可收缩式管之前，或在应用可收缩式管的期间，半导电层可被涂敷于导体与绝缘件之间，并且半导电层可以用作粘接剂。在另一实施例中，如将在下文中详细地解释的，例如，通过提供具有内半导电层和外绝缘层的多层式可收缩式管，半导电层就成为可收缩式管的一部分或集成于可收缩式管的内侧。根据一些实施例，如本文中所提到的多层式可收缩式管，可以包括可收缩式交联型或可交联型半导体(作为如本文中所提到的中间层)和可收缩式交联型或可交联型绝缘层。

因此，在图2a中，可以仅由绝缘层203呈现可收缩式管205。在比如图2c所示实施例的备选实施例中，可收缩式管205可以由中间层202连同绝缘层203呈现。

因此，根据本文中所描述的实施例的绕组式导体布置的最简单的结构由两个层(半导电层或中间层和绝缘层)组成。然而，在一些实施例中，还有可能是具有更多的特征的多层(>2)结构。在一个实施例中，可以经由半导电材料的涂层、涂装或喷涂而涂敷另一外槽电晕防护层。另一选择将是3层式可收缩式管的使用。在另一实施例中，电场分级材料涂敷于外层之一上，以便实现末端电晕防护。当出现电场峰值时，具体地，在绕组退出定子铁心的情况下，可以使用电场分级层。电场峰值可能导致对绕组式导体的绝缘的损伤。为了避免这样的电场峰值，可以涂敷电场分级带或末端电晕防护带，这可以使电场峰值最小化。在一个示例中，可以用填充有sic的带或含有zno的带涂敷电场分级层。

在下文中，描述了具有包括实验数据的测试布置中的可收缩式管的导体的一个示例。为了制造测试线棒，具有10×50×500mm³的尺寸的块状铜线棒用作导电体。使用聚烯烃基可热收缩式管(恢复后的大约2.6mm的壁厚)。填充有炭黑的半导电硅树脂糊剂用作中间层。图3显示实验装置。图3显示导体布置300，导体布置300包括导体301、中间层302以及绝缘层303。根据本文中所描述的一些实施例，实验装置还包括电极半导电层304和充当测试绝缘件的电场分级带305。在绕组式导体的外侧的示例的测试中，涂敷电场分级层，以便避免在测试线棒处出现电晕和电弧放电，这将操纵测试结果。为了避免电位与地面之间的电场峰值，可以使用电场分级层。

对具有半导电层的测试线棒a和不具有半导电层的测试线棒b这两类测试线棒进行了测试。为了评价由于施加hv而导致的电寿命，且为了避免闪络，以如图3中示意地显示的另外的半导电带304和电场分级带305对测试线棒进行了贴带。针对两个类型且在以下的条件下，对击穿以前的时间进行了测量：20kvac的电压和7.7kv/mm的应力。类型b(不具有中间层)的击穿时间为2min，然而，类型a(具有中间层)的击穿时间为183h至650h。因而，根据本文中所描述的实施例的具有中间层的绕组式导体布置，与不具有中间层的布置相比，提供了非常长久的耐久性和安全性。

根据一些实施例，提供了用于使电机的绕组式导体绝缘的方法。图4显示根据本文中所描述的实施例的方法400的流程图。方法400包括，在方框401中，将绕组式导体配合于设置至少一层绝缘材料的可收缩式管中。

典型地，在本文中所描述的实施例中提供的绝缘层，被配置成用于提供绕组式导体的主电气绝缘或主壁绝缘。根据本文中所描述的一些实施例，将用作绕组式导体的主电气绝缘的绝缘的适用性，尤其取决于收缩前后的纯材料的ac击穿强度和收缩前后的纯材料的介电性质。

根据本文中所描述的实施例，方法400进一步包括，在方框402中，通过热处理而使围绕绕组式导体的可收缩式管收缩。在本文中所描述的一些实施例中，热处理包括，对可收缩式管进行加热(例如，在将可收缩式管放置成围绕导体之前)和对可收缩式管进行冷却，以便于引起收缩过程(例如，当将管放置成围绕导体时)。根据一些实施例，围绕绕组式导体而收缩的可收缩式管可以被理解为如下的可收缩式管：如此定位放置，以便于在收缩过程之前，覆盖将被隔离的表面。

在方框403中，根据本文中所描述的实施例的方法400包括，将中间层设置于绕组式导体与绝缘层之间。典型地，中间层可以为如上所述的中间层，且特别是可以具有比绕组式导体的导电率更小的导电率。

根据一些实施例，中间层的设置包括将中间层设置为可收缩式管的一部分。例如，可以使用多层式可收缩式管。在一个示例中，可以如下地执行用于制造根据本文中所描述的实施例的绕组式导体布置的过程。作为第一步骤，对导电体的表面进行清洗，且在特定的情况下，对导电体的表面进行预先处理。在下一步骤中，导电体被配合于包括至少中间层和绝缘层的多层式可热收缩式管中。而且，根据一些实施例，通过暖气、辐射热、火焰喷枪或加热炉等而对组装的导体和管进行加热。在又一步骤中，使制成的导体冷却，且制成的导体能够用于进一步的处理或直接应用。

在一些实施例中，根据本文中所描述的实施例的包括绝缘层和中间层的多层式管可以是共挤出式管或涂层于内侧的管。例如，多层式管可以是两层式挤出物。根据一些实施例，两层式挤出物可以包括粘接剂材料和炭黑，以便提供中间层的半导电功能。

根据一备选的实施例，中间层的设置包括，在将绕组式导体配合于可收缩式管中之前，用中间层对绕组式导体进行涂覆。例如，以下的过程可以用于使绕组式导体隔离。在第一步骤中，进行导电体的表面清洗和预先处理。然后，可以例如通过涂装、贴带、涂刷等而执行半导电层涂层，以便将中间层设置于绕组式导体上。在下一个步骤中，将导电体配合于包括绝缘材料的可热收缩式管中。然后，通过暖气、辐射热、火焰喷枪、加热炉等而对组装的导体和管进行加热。在下一个步骤中，使制成的导体冷却，且制成的导体可以用于进一步的处理或直接应用。

根据一些实施例，提供了比如电动机、发电机、变压器等之类的电机，其包括根据本文中所描述的实施例的绕组式导体布置。而且，提供了根据本文中所描述的实施例的绕组式导体布置在电机中的使用。

根据本文中所描述的实施例，可收缩式材料能够良好地用作绝缘件。在本发明的实施例中，这样的可收缩式材料的使用被描述为用于使复杂的纵向导体绝缘的管，在这些导体存在于hv电机中时。关于绕组的绝缘的整体构思的可行性，已在实验数据(具体地，导体与绝缘件之间的半导电层的益处)中显示。根据本文中所描述的实施例的绕组式导体布置而导致的更多的益处包括，与贴带、浸渍和固化相比，处理简化、生产时间及成本降低、绝缘材料中的显著地减少的局部放电以及具有更高的电场和/或更高的电压的提高的性能。

虽然已基于一些优选的实施例而描述本发明，但本领域技术人员应当意识到，这些实施例绝不应当限制本发明的范围。在不背离本发明的实质和构思的情况下，对实施例的任何变更和修改应当属于本领域普通技术人员的理解力的范围内，且因此属于由所附权利要求限定的本发明的范围内。

参考标号

100电动机

101定子

102转子

104旋转轴

105定子铁心

106绕组式导体

110罗贝尔线棒

111罗贝尔线棒的导线束

200绕组式导体布置

201绕组式导体

202中间层

203绝缘层

205可收缩式管

300绕组式导体布置

301绕组式导体

302中间层

303绝缘层

304半导电层

305电场分级

400方法

401-403方框。