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1、七届会征文：复合功能材料及其应用几种绝缘浸渍树脂及其绝缘结构的性能姜其斌作者简介：姜其斌(1969)，男，湖北洪湖人，工学博士，教授级高级工程师，长期从事高分子绝缘材料的应用研究工作，Tel：0731-27626996，Email: 。，周 升，张步峰，李鸿岩，李钦， 陈磊(株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007)摘 要： 本文介绍了电机结构设计中的几种关键绝缘浸渍树脂，从材料结构的角度出发，系统比较了它们的综合性能，重点分析比较了相应绝缘结构系统的电气性能及其适用范围，为电机设计中的主绝缘材料的选择提供了重要参考。关键词： 电机结构；绝缘结构；绝缘浸渍树脂；性能1 引 言随
2、着人们使用的电机朝着大容量、小型化和变频调速等方向发展，各种电机的可靠性和稳定性需求不断提高，对电机制造中所需绝缘材料的环保要求也越来越高，因此，绝缘结构设计及其关键绝缘材料的选择已成为电机设计能否成功的关键环节。国内外的研究表明：引起电机损坏的最主要因素是绝缘材料的破坏，而电机的绝缘体系中，最重要的组成是绝缘浸渍树脂，其中主绝缘材料最终固化性能主要取决于所用真空压力浸渍树脂13。新一轮的电机引进技术，特别是轨道牵引电机和多兆瓦级风电电机，均涉及了绝缘浸渍树脂的选择，这给国内该领域的研究与发展带来了机遇和挑战。一般来说，绝缘浸渍树脂需要满足贮存期长，且混合后使用期长；常温粘度低；固化产物耐热性
3、高；原料易得、无毒或相对低毒；挥发份低；漆膜综合性能优异等要求。本文结合本厂的实际生产情况，以目前国内主要使用的三种不同类型树脂：耐热不饱和聚酯树脂（TJ13-3），环氧酸酐体系树脂（TJ1142和TJ1163）和有机硅体系的绝缘浸渍树脂（TJ1173）48为研究对象，对它们的物理机械性能及相应绝缘结构设计和绝缘系统性能进行了比较，所获得的研究结论能够有效指导合理化的电机绝缘设计及绝缘材料选择。2 三种绝缘浸渍树脂的性能特点浸渍树脂大体分为以下类别：一、改性不饱和聚酯树脂，如瑞士Isola公司(samicabond绝缘)；二、环氧酸酐苯乙烯体系，如西屋(malastic绝缘)和ABB公司 (
4、micadur绝缘)；三、纯环氧酸酐类体系，如西门子公司(micalastic绝缘)和三菱电机公司；四、机硅浸渍漆体系。并且随着人们环保意识的日益提高，使用有活性稀释剂的浸渍树脂将在未来逐渐退出市场。表1和表2总结了这几类树脂的结构特征及其性能。表1不饱和聚酯树脂、环氧树脂和有机硅树脂的机械及热性能对比Table 1 Comparison of bulk mechanical and thermal properties for unsaturated polyester resin，epoxy resin and silicone resin树脂类型性能不饱和聚酯树脂(TJ13-3）环氧酸酐
5、树脂体系（TJ1142和TJ1163）有机硅树脂体系（TJ1173）热稳定性耐热等级较低，一般需要进行改性。用亚胺改性的耐热不饱和聚酯树脂,由于含有耐热的亚胺结构，绝缘等级可以达到H级，分解5%的温度是300，热变形温度达到180。普通环氧酸酐体系耐热等级可以达到F级，而由多官能团环氧和耐热酸酐组成的体系或者亚胺改性环氧酸酐体系耐热性能更好，绝缘等级可以达到200级，分解5%的温度是320，热变形温度达到200。由于硅氧键的键能大，有机硅树脂具有很好的耐热性， 绝缘等级可达到220级。要使硅氧键断裂要400以上。分解5%的温度是395。弹性固化后属于硬性材料，热变形温度高，弹性差。固化后属于硬
6、性材料，热变形温度高，弹性差。固化后漆膜有很好的弹性。耐寒性能低温下性能脆性增大，耐寒性能差交联密度高，低温下脆性增大，易开裂，耐寒性较差。具有良好的低温性能，在-30到+180进行冷热交变试验其电性能变化不大。机械性能分子结构中含有极性基团，分子间有较强的作用力，有较好的机械性能。常态粘结强度（螺旋线圈法）150N，15530N，18020N。环氧树脂中含有羟基，分子间作用力大，内聚力强，因此其机械性能优异，特别是粘结强度高，优于其它的树脂体系。如TJ1163在20的粘接强度（螺旋线圈法）大于180N，180大于40N，200大于30N。有机硅聚合物分子间的作用力小，因此机械强度比较低，尤其
7、是高温粘结强度低，这是它的弱点。固化挥发份不饱和聚酯树脂由于含有活性稀释剂，固化挥发份很高， 漆膜的收缩大。如TJ13-3的固化挥发份为20%（2克样）。纯环氧-酸酐树脂体系固化挥发份低，漆膜的收缩小。如TJ1142的固化挥发份在2%以下（2克样)。有机硅树脂由于是全无溶剂型，百分之百的树脂，固化挥发份很低，因此漆膜的收缩也小。TJ1173的固化挥发份是2.1%(2克样)。表2 不饱和聚酯树脂、环氧树脂及有机硅树脂的电气绝缘性能对比Table 2 Comparison of bulk electrical properties for unsaturated polyester resin，e
8、poxy resin and silicone resin树脂类型性能不饱和聚酯树脂(TJ13-3）环氧酸酐树脂体系（TJ1142和TJ1163）有机硅树脂体系（TJ1173）介电性能具有较好的介电性能，20介电强度是22 KV/mm（漆饼法），155是20 KV/mm（漆饼法），180是18 KV/mm（漆饼法），体积电阻系数20是1014.m （漆饼法），155是1012.m（漆饼法），180是1010.m（漆饼法），介质损耗因数20小于1%，155小于3%， 180小于5%。环氧树脂具有较好的介电性能，与有机硅树脂接近，介质损耗因数20小于0.5%，155小于1%，180小于3%，尤其介
9、质损耗因数增量小于0.1%。最大特点是在温度180下长期保持良好的介电性能，如漆膜的介电性能在20大于23KV/mm（漆饼法），而在200时仍能保持18 KV/mm（漆饼法）；其体积电阻系数是1014.m（漆饼法）， 200仍可达到1012.m（漆饼法）；介质损耗因数是小于1%，200小于2%。耐水性能漆膜具有较低的吸水性，吸水率小于0.5%，浸水前介电强度22 KV/mm（漆饼法），体积电阻系数1014.m（漆饼法），浸水后介电强度是21 KV/mm（漆饼法），体积电阻系数是1013.m（漆饼法）。环氧树脂固化后虽然含有一定量的羟基，但漆膜仍具有较低的吸水性，吸水率是0.25%左右，浸水后的
10、介电性能大于22 KV/mm（漆饼法），体积电阻系数大于1014.m（漆饼法）。硅氧键虽有极性，但在主链外面具有一层非极性的有机基，这样就使其具有憎水性和优良的电绝缘性。TJ1173的吸水性为0.05%。3 三种绝缘浸渍树脂的粘度-温度关系曲线粘度对于浸渍树脂来说，是一个非常关键的技术指标。图1列出了三种绝缘浸渍树脂的粘度与温度的关系曲线，随着温度的升高，三种树脂的粘度迅速下降。在浸渍过程中，适当低的粘度有利于树脂充分渗透进入绕组线圈，填充线圈中空隙。不饱和聚酯树脂和环氧酸酐树脂在2535之间粘度已经降到350cP以下，可以适应室温浸渍的工艺需求。有机硅树脂具有较高的粘度，需要加热到50以上才
11、能进行真空压力浸渍（VPI）处理，不能进行室温浸渍。图1 三种树脂的粘度-温度关系曲线Fig 1 The viscosity vs. temperature of three impregnating resins4 三种绝缘浸渍树脂的储存稳定性三种浸渍树脂在储存过程中，粘度会逐步增长，当浸渍树脂粘度到达一定程度后，将不能继续使用。不饱和聚酯树脂的固化机理由于采用的是自由基聚合固化，当粘度增长时，在其中加入少量稀释能力较强的活性稀释剂，不会对产品的性能有很大的影响。相反，环氧酸酐浸渍树脂和有机硅浸渍树脂均是加成聚合固化，稀释剂的加入一定程度上会对产品的力学性能会劣化而不能使用，因此必须不断补充
12、新漆来降低粘度。图2列出了三种浸渍树脂在60贮存23下测量所得粘度变化情况，可以看出，三种浸渍树脂的粘度变化都比较平缓，环氧酸酐树脂和有机硅树脂的储存稳定性要比不饱和聚酯树脂稍好。图2 三种树脂的粘度-贮存时间关系曲线Fig 2 The viscosity vs. storage time of three impregnating resins5 绝缘结构的制备对于绝缘树脂生产厂家而言，采用整机浸渍验证的方法是不经济的。相反，通过测试模拟线圈的性能，便可以对不同的绝缘结构进行系统的评估，进而获得接近实际应用的参数。图3为模拟线圈结构示意图，其具体制备方法如下：（1）绕包：在2根电磁线上手工半
13、叠绕包几层少胶粉云母带，然后平包一层聚酯热收缩带，装上2个模拟槽，如图3所示；（2）除湿：将上述线圈在105温度下预热12小时，除去结构中的湿气，冷却至60；（3）VPI处理：将预处理好的线圈置入VPI系统中的浸漆罐中，抽真空至300Pa以下，维持3个小时，然后输入不饱和聚酯树脂、环氧酸酐和有机硅浸渍树脂，加压至0.55MPa，保压90分钟，降压、滴漆后，将线圈绕包聚四氟乙烯带，放入烘箱中于适当温度下固化10小时； （4）脱模：取出固化好的线圈，冷却后拆去模拟槽、聚四氟乙烯脱膜带，即制得模拟线圈。 一般来说，模拟线圈在经过浸渍树脂的VPI处理和烘培固化后，如果线圈外观颜色均匀，敲击清脆无发空现
14、象，说明浸渍树脂能有效地浸透云母带。如果模拟线圈挂漆量充足，说明浸渍树脂具有低温快固化特性，在烘培过程中浸渍树脂流失较少，从而能保证绝缘系统良好的整体性能。图3 模拟线圈结构示意图Fig 3 The structural diagram of simulating coil6 绝缘结构的性能穿步 无论采用哪种绝缘结构，所制备的模拟线圈都要求具有优良的电气绝缘性能。除了要求高的击穿强度外，高温介质损耗正切tan和介损增量tan也是另外两个关键指标。介质损耗和tan成正比。tan和绝缘材料的形状及尺寸无关，能灵敏地反应整个绝缘层受潮、制造工艺、主绝缘发空的情况以及材质的优劣。高温下（比如155和200）的tan大小直接影响电热老化时线圈的绝缘寿命长短，由于热态介损大时，损耗产生的热导致线圈绝缘温升提高，进而促使tan进一步增大，致使主绝缘发生热击穿。表3 基于不同VPI浸渍树脂处理的模拟线圈的电气性能aTable 3 Comparison of electrical propertie
