НЕЛИНЕЙНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В КАЧЕСТВЕ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
NONLINEAR DIELECTRICS USED AS ELECTRIC INSULATING MATERIAL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится в целом к системам изоляции для электрических машин и обмоток машин и, более конкретно, к системе изоляции, обладающей нелинейными диэлектрическими свойствами.
Предшествующий уровень техники
Электрические машины и устройства, такие как генераторы, двигатели, силовые приводы, трансформаторы и т.п., постоянно подвергаются различным электрическим, механическим, термическим нагрузкам и нагрузкам со стороны окружающей среды. Такие нагрузки имеют тенденцию ухудшать качество машин и устройств, соответственно уменьшая срок их службы. В качестве одного из примеров можно привести статическое магнитное поле, которое остается после отключения электропитания в стальном сердечнике в трансформаторах вследствие остаточной намагниченности. Когда электропитание затем подается снова, остаточное поле вызывает высокий пусковой ток, протекающий до тех пор, пока влияние остаточной намагниченности не уменьшится, обычно после нескольких циклов приложенного переменного тока. Устройства для защиты от чрезмерного тока, такие как плавкие предохранители в трансформаторах, соединенных с длинными линиями передачи электропитания, не в состоянии защитить трансформаторы от индуцированных токов, обусловленных геомагнитными возмущениями во время солнечных бурь, которые могут вызвать насыщение стального сердечника и неправильное функционирование устройств для защиты трансформатора. В большинстве случаев наблюдается, что доминирующим фактором отказов вышеуказанных устройств является ухудшение их изоляции.
Системы изоляции для электрических машин, таких как генераторы, двигатели и трансформаторы, постоянно совершенствуются, чтобы улучшить эксплуатационные качества машин. Материалы, обычно используемые для электрической изоляции, включают полиимидную пленку, композиционный материал на базе эпоксидной смолы и стеклянных волокон и микаленту. Изолирующие материалы обычно должны иметь такие механические и физические свойства, которые обеспечивают их противостояние различным жестким электрическим воздействиям на электрические машины, таким как грозовые перенапряжения и коммутационные перенапряжения. Кроме того, некоторые из желательных свойств системы изоляции включают противостояние экстремальным изменениям рабочей температуры и длительный расчетный срок службы.
Вышеуказанные изолирующие материалы обладают в основном постоянной диэлектрической постоянной, которая предотвращает их электропроводность с учетом составной электрической прочности. Однако определенные факторы, такие как рабочая температура, окружающая среда, градиенты электрического напряжения, циклическое воздействие тепловых нагрузок и скачки напряжения от грозовых и коммутационных перенапряжений, ухудшают качество изолирующих материалов на протяжении длительного периода времени, соответственно снижая их срок годности и эксплуатационный ресурс.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технической задачей настоящего изобретения является создание системы изоляции, в которой учитывались бы вышеуказанные проблемы и которая отвечала бы текущим потребностям промышленности.
В соответствии с одним из аспектов данного изобретения предложена электрическая машина, содержащая обмотку, изготовленную из электропроводного материала. Электрическая машина также содержит изолирующий слой, расположенный вокруг по меньшей мере части обмотки, диэлектрическая постоянная которого изменяется в зависимости от напряжения.
В соответствии с другим аспектом данного изобретения предложена обмотка электрической машины, содержащая полимерную систему изоляции, включающую по меньшей мере один полимерный слой, диэлектрическая постоянная которого изменяется в зависимости от напряжения.
В соответствии с другим аспектом данного изобретения предложен генератор, содержащий статор, ротор, сконфигурированный для генерирования тока в статоре и содержащий обмотку, включающую в себя множество проводников, которые расположены вокруг статора и окружены изолирующим слоем, имеющим диэлектрическую постоянную, которая изменяется в зависимости от напряжения.
В соответствии с другим аспектом данного изобретения предложен способ формирования изоляции в электрической машине, заключающийся в том, что размещают вокруг по меньшей мере части обмотки изолирующий слой, диэлектрическая постоянная которого изменяется в зависимости от напряжения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие признаки, особенности и преимущества данного изобретения будут лучше поняты из представленного ниже подробного описания со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает схему генератора переменного тока, включающего в себя статор и ротор с обмотками, использующими нелинейный или вариабельный диэлектрический материал в качестве изоляции, согласно изобретению;
Фиг.2 - общий вид шины статора динамоэлектрической машины, содержащей систему изоляции с нелинейным диэлектриком, согласно изобретению;
Фиг.3 - поперечный разрез системы изоляции с нелинейным диэлектриком согласно изобретению;
Фиг.4 - схема угловой части проводника в шине статора, которая испытывает электрическую нагрузку, согласно изобретению;
Фиг.5 - диаграммы диэлектрической постоянной как функции напряженности электрического поля для пленки из поливинилиденфторида без наполнителей и с наполнителями, все из которых могут быть использованы в электрической машине и с обмотками, согласно изобретению;
Фиг.6 - диаграмма напряженности электрического поля вокруг угловой части согласно изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Варианты осуществления данного изобретения включают в себя систему изоляции с использованием материалов, обладающих нелинейными или изменяющимися диэлектрическими свойствами. Термин «нелинейный» означает неравномерное изменение диэлектрической постоянной с изменением напряжения. Предложенная система изоляции может быть использована в машинах, функционирующих при высоких напряжениях, которые включают, однако не ограничиваются ими, динамоэлектрические машины. Данная система изоляции имеет присущую ей способность к адаптации, когда диэлектрическая постоянная нелинейного диэлектрика может увеличиваться в тех местах машины, в которых изоляция испытывает высокую электрическую нагрузку, и обеспечивает желательную электрическую защиту машины. Электрическая защита создается посредством выравнивания электрической нагрузки и снижения локальной напряженности электрического поля. Такие нелинейные диэлектрические материалы также предоставляют повышенную теплопроводность данной системе изоляции, что обеспечивает удаление в окружающую среду увеличенного количества тепла от металла, такого как медь системы шины статора, однако не ограничивающегося ею.
На Фиг.1 представлена схема генератора переменного тока 10, включающего в себя статор 12 и ротор 14. Статор 12 имеет окружающие его обмотки 16. Обмотки 16 являются в данном варианте осуществления обмотками статора. Аналогичным образом ротор 14 имеет окружающие его обмотки 18. В обмотках 16 статора и обмотках 18 ротора использован в качестве изоляции нелинейный диэлектрический материал. Некоторые из неограничивающих примеров нелинейных диэлектрических материалов, которые могут быть использованы для изоляции, включают пленки из полиэфиримида, полиэтилена, полиэфира, полипропилена, политетрафторэтилена, поливинилиденфторида и сополимеров поливинилиденфторида, которые могут быть наполнены по меньшей мере одним видом наноразмерного наполнителя. В отдельных вариантах осуществления наполнитель с наноразмерными частицами может включать керамические наполнители, однако не ограничивающиеся ими, например цирконат свинца, гафнат свинца, цирконат-титанат свинца, цирконат-станнат-титанат свинца, легированный лантаном, ниобат натрия, титанат бария, титанат стронция и титанат бария-стронция. Статор 12 может возбуждаться источником тока 20 и потенциометром или другой резистивной цепью 22, которая имеет переменное сопротивление, чтобы регулировать ток через обмотки 16 статора. Ротор 14 может включать несколько контактных колец 24 для передачи электрической мощности к ротору 14 и от него. Контактные кольца 24 могут включать несколько контактных щеток 26, которые обеспечивают электрическое соединение с ротором 14.
На Фиг.2 представлен общий вид статора 28 динамоэлектрической машины с изоляцией из нелинейного диэлектрика. Статор 28 может включать множество шин 30 и 32, которые могут быть одинаковыми и могут быть расположены одна на другой. Шины 30 статора могут включать множество обмоток 34, которые содержат множество проводников 36 с изоляцией 38 из нелинейного диэлектрика между каждым из них. В рассматриваемом варианте осуществления шины 30 статора могут включать два ряда 40 проводников 36 с изоляцией, которые могут быть разделены вертикальным слоем 42 изоляции из нелинейного диэлектрика. Изолирующий слой 44 из нелинейного диэлектрика может быть также нанесен на верхнюю поверхность 46 и нижнюю поверхность 48 каждого из рядов 40 проводников 36. Проводники 36 могут быть также окружены с боковых сторон слоем изоляции из нелинейного диэлектрика, образующим базовую стенку изоляции 50. В рассматриваемом варианте осуществления проводники 36 могут быть изготовлены из меди. В качестве примера, число слоев базовой стенки изоляции может варьироваться от 7 до 16 слоев композиционного изолирующего материала из нелинейного диэлектрика, намотанных или свернутых, в зависимости от способности отдельного слоя выдерживать напряжение и от величины рабочего напряжения, подаваемого на проводники 36.
В отдельных вариантах осуществления изоляция из нелинейного диэлектрика может включать композиционный материал из стеклоткани, эпоксидного связующего, листовой слюды и наполнителя с размером частиц по меньшей мере от около 5 нм. Некоторые неограничивающие примеры наполнителя могут включать наполнитель с частицами микронных размеров и наполнитель с наноразмерными частицами. Как указано выше, такие наполнители могут включать цирконат свинца, гафнат свинца, цирконат-титанат свинца, цирконат-станнат-титанат свинца, легированный лантаном, ниобат натрия, титанат бария, титанат стронция, титанат бария-стронция и ниобат свинца-магния. В другом примере изоляция из нелинейного диэлектрика может включать полиэфиримид, полиэтилен, полиэфир, полипропилен, политетрафторэтилен, поливинилиденфторид и сополимеры поливинилиденфторида. Некоторые из неограничивающих примеров слюды могут включать мусковит, флогопит, анандит, аннит, биотит и битит. Стеклоткань может иметь разную плотность плетения. Некоторые неограничивающие примеры стеклоткани представлены ниже в таблице 1.
2
В список включены стеклоткани с разной плотностью плетения, массой, толщиной и прочностью. Первым примером стеклоткани является тип 1076 с полотняным переплетением, имеющий плотность основы 60 и массу 33 г/м. Аналогичным образом, другие примеры включают типы 1070, 6060, 1080, 108, 1609 и 1280. Стеклоткань действует в качестве механической опоры для системы изоляции и также добавляет неорганический компонент к композиционному материалу, что улучшает теплопроводность конечной композиционной системы. Слюда действует как первичный изолирующий компонент для композиционного материала. Эпоксидное связующее является лишь органической частью композиционной системы изоляции и действует как клей для объединения системы. Кроме того, нелинейный наполнитель обеспечивает нелинейную характеристику данной системы изоляции, а также улучшает теплопроводность композиционного материала.
Имеется несколько способов включения наполнителя в состав изолирующего композиционного материала. Некоторые неограничивающие примеры включают экструзию наполнителя и полимера, образующих систему наполненного полимера, диспергирование наполнителя и полимера в растворителе с последующим испарением растворителя и формированием пленки и использование способов трафаретной печати или нанесения покрытия окунанием для включения наполнителя в места пересечения нитей основы и утка стеклоткани. Кроме того, было найдено, что обработка наполнителя и стекла силаном, таким как глицидоксипропилтриметоксисилан, однако без ограничения им, важна для придания желательной адгезии наполнителя по отношению к стеклоткани и конечной композиционной структуры. Выбор способа включения наполнителя зависит от конечной структуры изолирующего композиционного материала. В качестве примера, пленки наполненного полимера обычно формируют экструзией или диспергированием в растворителе. В другом варианте осуществления ленты из слюды, стеклоткани и эпоксидной смолы обычно получают трафаретной печатью или нанесением покрытия на стеклоткань окунанием.
Нагрузки со стороны электрического поля могут испытываться в областях вокруг проводников 36 и слоя базовой стенки изоляции 44 во время функционирования машины. Изоляция из нелинейного диэлектрика обеспечивает более равномерное распределение электрического поля. Оплетка 52 шины статора может защищать проводники 36. Шина 30 статора может также включать боковую волнистую пружину 54, клиновидный элемент 56 и ползун 58 клиновидного элемента. В отдельных вариантах осуществления оплетка 52 шины статора, боковая волнистая пружина 54, клиновидный элемент 56 и ползун 58 клиновидного элемента могут быть неметаллическими. Неограничивающий пример оплетки 52 шины может включать стекловолокно со смолой, содержащей углеродный порошок для обеспечения теплопроводности. В другом примере оплетка 52 шины может включать полиэфирное волокно со смолой, содержащей углеродный порошок. Неограничивающим примером материала, используемого в боковой волнистой пружине 54, может являться стекловолокно с углеродным порошком и смолой. Области вокруг боковой волнистой пружины 54, клиновидного элемента 56 и ползуна 58 клиновидного элемента могут не испытывать значительных нагрузок со стороны электрического поля. Шины 32 и 34 статора могут быть также окружены металлическим сердечником 60 динамоэлектрической машины.
На Фиг.3 представлен поперечный разрез шины 30 статора, иллюстрирующий изолирующие слои нелинейного диэлектрического материала. Шина 30 статора может включать два ряда 40 проводников 36 с изоляцией, как указывалось со ссылкой на Фиг.2. Ряды 40 могут быть отделены один от другого вертикальным слоем 42 изоляции из нелинейного диэлектрика. Вертикальный слой 42 может также рассматриваться как вертикальный сепаратор. Проводники 36 могут быть изолированы один от другого слоем 38 изоляции из нелинейного диэлектрика. Слой 38 может также рассматриваться как изоляция жилы. Кроме того, верхний слой 64 и нижний слой 66 изоляции из нелинейного диэлектрика могут быть размещены на верхней поверхности и нижней поверхности каждого из рядов 40 проводников 36. Верхний слой 64 и нижний слой 66 могут также рассматриваться как скрещиваемые уплотнители. Слой 70 изоляции из нелинейного диэлектрика может быть также сформирован на боковых сторонах проводников 36.
На Фиг.4 схематически изображена нагрузка со стороны электрического поля, воздействующая на угловую часть 80 электрического проводника 36. Угловая часть 80 может включать изолирующий слой 64 из нелинейного диэлектрика и изолирующий слой 70 из нелинейного диэлектрика. Угловая часть 80 является областью проводника 36, которая может подвергаться максимальной нагрузке со стороны электрического поля во время функционирования. Желательно снижение такой электрической нагрузки. Снижение электрической нагрузки может увеличить максимально допустимое напряжение машины. Изолирующие слои 64 и 70 из нелинейного диэлектрика распределяют электрическое поле равномерно на угловой части 80, так что уменьшается до минимума нагрузка, обусловленная неравномерностью распределения электрического поля. Когда нагрузка со стороны электрического поля увеличивается на угловой части 80, то слои 64 и 70 из нелинейного диэлектрика адаптируются в соответствии с этим таким образом, чтобы предоставлять более равномерное распределение 82 электрического поля вокруг угловой части 80 по сравнению с тем распределением, которое имело бы место в случае использования обычных материалов с однородной диэлектрической прочностью, что соответственно защищает проводник 36 от возможного электрического повреждения.
В другом варианте осуществления изобретения раскрыт способ 84 формирования изоляции в электрической машине. Изолирующий слой, обладающий диэлектрической постоянной, которая изменяется в зависимости от напряжения, может быть размещен вокруг по меньшей мере части обмотки на этапе 86. В отдельных вариантах осуществления изолирующий слой может иметь теплопроводность по меньшей мере около 0,5 Вт/м·К. В другом варианте осуществления изолирующий слой может быть изготовлен из слюды, эпоксидной смолы, стеклоткани и керамического наполнителя. В еще одном варианте осуществления стеклоткань и керамический наполнитель могут быть покрыты силаном. В рассматриваемом варианте осуществления керамический наполнитель может быть закреплен на стеклоткани способом трафаретной печати или нанесением покрытия окунанием.
Повышенная теплопроводность системы изоляции также является необходимым свойством для проектирования новых устройств с высокой плотностью энергии. Система изоляции с улучшенной термопередачей устраняет избыток тепла, опасный для системы изоляции, который может быть образован в электрических машинах с высокой плотностью энергии. Неорганические материалы и стекла имеют более высокую теплопроводность, чем органические системы. В качестве примера, система на базе эпоксидной смолы имеет теплопроводность около 0,2 Вт/м·К, а типичные неорганические оксиды имеют теплопроводность в интервале 10-20 Вт/м·К. Неорганические нитриды имеют даже более высокую теплопроводность. Некоторые примеры включают нитрид алюминия с теплопроводностью 170 Вт/м·К и нитрид бора с теплопроводностью 55 Вт/м·К. Соответственно, добавление неорганических соединений и уменьшение общего содержания органического компонента в смеси повышает теплопроводность композиционных систем изоляции. В качестве примера, теплопроводность изолирующего композиционного материала из базовой эпоксидной смолы, стеклоткани, слюды находится в интервале 0,25-0,35 Вт/м·К, в зависимости от типа стекла и содержания смолы. При добавлении нелинейных оксидов, рассмотренных выше, теплопроводность композиционного материала из наполненной эпоксидной смолы, стеклоткани, слюды может достигать по меньшей мере примерно 0,5 Вт/м·К.
ПРИМЕРЫ
Примеры, представленные ниже, приведены с иллюстративной целью и не должны рассматриваться как ограничивающие объем данного заявленного изобретения.
На Фиг.5 представлены диаграммы 90 диэлектрической постоянной как функции напряженности электрического поля для пленки из поливинилиденфторида (PVDF) без наполнителей и с наполнителями. На оси X 92 отложена напряженность электрического поля в кВ/мм. На оси Y 94 отложена диэлектрическая постоянная пленки из PVDF. Кривая 96 представляет диэлектрическую постоянную пленки из PVDF без наполнителя. Как можно видеть, диэлектрическая постоянная не изменяется существенным образом в зависимости от напряженности электрического поля. Кривая 98 представляет диэлектрическую постоянную пленки из PVDF с 20% по объему наполнителя из цирконата свинца с частицами микронных размеров. Аналогичным образом, кривые 100, 102 и 104 представляют диэлектрическую постоянную как функцию напряженности электрического поля для пленки из PVDF с 20% по объему наполнителя из цирконата свинца с наноразмерными частицами, 40% по объему наполнителя из цирконата свинца с частицами микронных размеров и 40% по объему наполнителя из цирконата свинца с наноразмерными частицами. Как видно, диэлектрическая постоянная увеличивается значительным образом от примерно 30 до максимальной величины, составляющей примерно 80, в зависимости от напряженности электрического поля в случае 40% по объему наполнителя из цирконата свинца с наноразмерными частицами. Следовательно, добавление наноразмерных наполнителей в пленку из PVDF увеличивает изменение диэлектрической постоянной с изменением напряженности электрического поля и улучшает приспособляемость системы изоляции к флуктуациям нагрузки со стороны электрического поля.
На Фиг.6 представлена диаграмма 110 профиля напряженности электрического поля на угловой части 80 как функции расстояния от проводника 36, имеющего изолирующий слой из нелинейного диэлектрика. На оси X 112 отложено расстояние от проводника 38 через изолирующий слой из нелинейного диэлектрика в мм. На оси Y 114 отложена напряженность электрического поля в киловольтах/мм. Как можно видеть из кривой 116, электрическое поле имеет стабильную величину в 10 кВ/мм при изменении расстояния от проводника 36. В электростатике произведение диэлектрической постоянной и напряженности электрического поля зависит от разности потенциалов и диэлектрических свойств среды. Если диэлектрическая постоянная поддерживалась бы постоянной, то напряженность локального электрического поля на поверхности, прилегающей к электропроводному элементу, была бы очень высокой вследствие ее сравнительно малой площади. Напряженность электрического поля затем уменьшалась бы и достигала минимума на внешней поверхности изоляции, которая находится под потенциалом земли. Однако если бы диэлектрической постоянной была предоставлена возможность увеличения с ростом напряженности электрического поля, то этот компенсирующий эффект вызывал бы равномерность напряженности по всему материалу, как это показано. Соответственно, изолирующий слой из нелинейного диэлектрика обеспечивает в основном равномерное распределение поля в проводнике, устраняя или уменьшая возможность электрического повреждения проводника.
Несмотря на то что здесь проиллюстрированы и описаны лишь некоторые характерные черты данного изобретения, специалисты в данной области техники могут осуществить его многочисленные модификации и изменения. Поэтому следует понимать, что прилагаемая формула изобретения предназначена для охвата всех таких модификаций и изменений, если они входят в объем данного изобретения.