СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА, ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ, А ТАКЖЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА
METHOD OF MAKING ELECTRIC INSULATING MATERIAL, ELECTRICALLY INSULATING MATERIAL, AS WELL AS ELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к способу изготовления электроизоляционного материала и электроизоляционному материалу, а также к электрической машине с изоляцией из электроизоляционного материала.
Для электрической машины, такой как, например, генератор в электростанции для генерирования электрической энергии, требуется высокий коэффициент полезного действия и высокая доступность. Это приводит, как правило, к высокой механической, термической и электрической нагрузке конструктивных элементов турбогенератора. Турбогенератор имеет, в частности, обмотку статора, к которой предъявляются особенно высокие требования относительно прочности и надежности. В частности, изоляционная система обмотки статора на пограничной поверхности между основной изоляцией и листовым пакетом обмотки статора особенно сильно нагружается за счет высоких термических, термомеханических, динамических и электромеханических рабочих нагрузок, за счет чего высока опасность повреждения изоляционной системы обмотки статора за счет частичных разрядов, которые неизбежно возникают во время работы электрической машины. С помощью изоляционной системы длительно изолированы электрические проводники (провода, катушки, стержни, секции обмотки) друг от друга и от листового пакета статора или окружения.
Для изоляционной системы на основании высоких механических, термических и электрических требований можно использовать лишь немногие материалы, в частности композиционные материалы. Эти композиционные материалы имеют, как правило, искусственную смолу и пропитанный искусственной смолой несущий слой, такой как, например, арамидная ткань. Поскольку надежность работы электрической машины в значительной степени определяется надежностью этой изоляционной системы, то желательной является максимальная нагрузочная прочность изоляционной системы.
Задачей изобретения является создание способа изготовления электроизоляционного материала, изготовленного с помощью этого способа электроизоляционного материала, а также изолированной этим электроизоляционным материалом электрической машины, которые по сравнению с обычными изоляционными системами, соответственно, с изолированными с помощью этих обычных изоляционных систем машинами, имеют улучшенные механические и электрические свойства изоляции, в частности, относительно прочности на растяжение, модуля упругости и диэлектрических свойств.
Задача решена, согласно изобретению, с помощью способа изготовления электроизоляционного материала, согласно пункту 1 формулы изобретения, изготовленного с помощью этого способа электроизоляционного материала, согласно пункту 5 формулы изобретения, а также изолированной электроизоляционным материалом электрической машины, согласно пункту 7 формулы изобретения. Предпочтительные модификации изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Способ, согласно изобретению, изготовления электроизоляционного материала имеет стадии: изготовления жидкокристаллического полимера; формирования из жидкокристаллического полимера изоляционной пленки так, что в изоляционной пленке присутствует мезофаза жидкокристаллического полимера, за счет чего молекулы полимера в изоляционной пленке ориентированы в предпочтительном направлении; ламинирования нескольких изоляционных пленок в образующий электроизоляционный материал слоистый комбинированный материал, при этом комбинированный материал имеет по меньшей мере одну изоляционную пленку, которая предпочтительным направлением своих молекул отличается от предпочтительного направления молекул другой изоляционной пленки.
При плавлении жидкокристаллического полимера (liquid crystal polymer, LCP) из его твердой фазы в жидкую, изотропную фазу возникает жидкокристаллическое, анизотропное промежуточное состояние, мезофаза. В мезофазе жидкокристаллический полимер имеет предпочтительное направление, в котором ориентированы молекулы жидкокристаллического полимера. Во время затвердевания жидкокристаллического полимера обратно в твердое тело остается сохраненной ориентация молекул. Таким образом, образуется твердое тело, молекулы которого ведут себя аналогично волокнам матрицы. На основании результирующихся из этого механических свойств жидкокристаллического полимера его называют полимером с самоусилением.
С помощью способа, согласно изобретению, в слоистом комбинированном материале образуют несколько прочных относительно нагрузки предпочтительных направлений, за счет чего обеспечивается возможность нагрузки электроизоляционного материала в различных направлениях без повреждения. Способ, согласно изобретению, обеспечивает возможность использования жидкокристаллического полимера для электроизоляционного материала так, что его выдающиеся механические свойства, которые обусловлены сильной межмолекулярной связью молекул жидкокристаллического полимера, можно применять для электрической изоляции. Отдельные изоляционные пленки можно изготавливать тонкими, без чрезмерного отрицательного влияния на прочность слоистого пакета. Таким образом, с помощью способа, согласно изобретению, жидкокристаллический полимер делается пригодным для использования в электрической изоляции электрической машины. Кроме того, изготовленный с помощью способа, согласно изобретению, электроизоляционный материал имеет благоприятные диэлектрические свойства для электрической изоляции электрической машины.
Способ, согласно изобретению, предпочтительно имеет стадию последующей термической обработки слоистого комбинированного материала так, что уменьшается результирующаяся из различных предпочтительных направлений ориентации молекул в изоляционной пленке анизотропия механических свойств электроизоляционного материала. Таким образом, дополнительно к ламинированию изоляционных пленок в слоистый пакет создана другая стадия способа для управления, в частности, механическими свойствами электроизоляционного материала. Поэтому с помощью способа, согласно изобретению, механически согласованный электроизоляционный материал можно изготавливать тонким, за счет чего при минимальном использовании материала достигается большое изоляционное действие.
Изготовленный с помощью способа, согласно изобретению, электроизоляционный материал способен к деформации, при этом деформация электроизоляционного материала предпочтительно происходит во время последующей термической обработки. Эта стадия осуществляется предпочтительно с помощью каландра и/или пресса.
Электроизоляционный материал для электрической машины изготовлен из нескольких электроизоляционных пленок на основе жидкокристаллического полимера, в соответствии со способом, согласно изобретению, и электроизоляционный материал пригоден для нанесения на электрический проводник электрической машины и для изоляции электрического тока через электрический проводник. Для этого электроизоляционная пленка предпочтительно выполнена в виде ленты.
Кроме того, в электрической машине, содержащей по меньшей мере один электрический проводник, этот проводник окружен электроизоляционным материалом, согласно изобретению, для электрической изоляции. Электрическая машина предпочтительно имеет статорный пакет по меньшей мере с одной канавкой, в которой расположен окруженный электроизоляционным материалом электрический проводник.
Ниже приводится более подробное пояснение предпочтительного варианта выполнения электрической машины, которая изолирована с помощью электроизоляционного материала, согласно изобретению, со ссылками на прилагаемый чертеж. На фигуре показан в изометрической проекции статор электрической машины с несколькими окруженными электроизоляционным материалом, согласно изобретению, электрическими проводниками.
На фигуре показан частичный разрез статора 1 неизображенной электрической машины, в данном случае турбогенератора для генерирования электрической энергии. Статор 1 содержит статорный пакет 2 с множеством канавок 3, а также множество электрических проводников 4, которые проходят в соответствующих канавках 3.
Каждый из проводников 4 имеет электрическую изоляцию. Электрическая изоляция содержит частичную изоляцию 5 проводника, основную изоляцию 6 проводника, а также для каждой из канавок 3 закрытие 7 канавки. Электрические изоляции выполнены с помощью электроизоляционного материала, который изготовлен в виде ленты с помощью способа, согласно изобретению.
В способе формируют тонкие изоляционные пленки, при этом изоляционные пленки формируют из жидкокристаллического полимера так, что молекулы полимера ориентированы в предпочтительном направлении. Несколько образованных так изоляционных пленок в другой стадии ламинируют в слоистый комбинированный материал так, что по меньшей мере одна изоляционная пленка отличается предпочтительным направлением своих молекул от предпочтительного направления других изоляционных пленок. Слоистый комбинированный материал из изоляционных пленок выполняют в виде ленты с образованием электроизоляционного материала. Кроме того, для согласования механических свойств электроизоляционного материала его после ламинирования подвергают последующей термической обработке, за счет чего возникающие перед этим на основании предпочтительного направления, сильно зависящие от направления механические свойства согласовываются так, что заданным образом уменьшается зависимость от направления (анизотропия) механических свойств. Таким образом, электроизоляционный материал, согласно изобретению, может иметь согласованные с целью применения механические свойства.
В последующей таблице приведены свойства образованного из жидкокристаллического полимера электроизоляционного материала по сравнению с обычным изоляционным материалом, а именно пленки из NOMEX.
ТаблицаСравнение свойств обычного изоляционного материала, пленки из NOMEX (NOMEX) и изготовленного в соответствии с изобретением электроизоляционного материала (LCP)
Свойство
Метод испытания
Ед. измер.
NOMEX (250 мкм)
LCP (объемный)
Плотность
ISO 1183
г/см<sup>3</sup>
1,1
1,4
Впитывание воды (23ºС/24ч/50% ОВ)
ISO 62
%
0,1
0,03
Прочность на растяжение
ISO 527-2/1A
МПа
110 (MD)
182 (MD)
Предельное удлинение
ISO 527-2/1A
%
18 (MD)
3,4 (MD)
Температура перехода в стеклообразное состояние (Tg)
ISO 11357
ºС
110
Коэффициент теплового расширения (T<Tg)
ISO 11359
10<sup>-6</sup>/ºС
20
10
Температура длительного использования
UL 746B
ºС
220
220
Коэффициент диэлектрических потерь при 1 МГц
IEC 60250
-
Примерно 0,02
0,02
Диэлектрическая проницаемость
IEC 60250
-
3,7
3,0
Как следует из таблицы, хотя электроизоляционный материал, согласно изобретению, имеет большую плотность и меньшее предельное удлинение, однако в существенных для применения технических свойствах имеет преимущества. Так, прочность на растяжение выше, чем у сравнительного материала. Таким образом, электроизоляционный материал, согласно изобретению, может выдерживать высокие нагрузки в течение более длительного времени, чем обычный изоляционный материал. Таким образом, электроизоляционный материал, согласно изобретению, может быть предусмотрен с меньшей толщиной, чем в обычном изоляционном материале.
Кроме того, электроизоляционный материал, согласно изобретению, имеет сравнимую с обычным изоляционным материалом степень диэлектрических потерь, а также аналогичную диэлектрическую проницаемость, за счет чего электроизоляционный материал, согласно изобретению, особенно пригоден для изоляции электрической машины.
Кроме того, электроизоляционный материал, согласно изобретению, имеет меньший коэффициент теплового расширения, а также сравнимую температуру длительного использования, за счет чего электроизоляционный материал превосходит обычный изоляционный материал также относительно диапазона температур использования.