RU232344U1

RU232344U1 - Electrical winding wire

Info

Publication number: RU232344U1
Application number: RU2024124196U
Authority: RU
Inventors: Татьяна Ивановна Прокопова; Зинаида Николаевна Кольцова; Ольга Борисовна Громова; Борис Евгеньевич Васильев; Дмитрий Сергеевич Панфёров; Николай Александрович Белкин; Сергей Викторович Демихов; Антон Андреевич Акимов; Роман Евгеньевич Васильев
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Термопровод" (ЗАО "Термопровод")
Filing date: 2024-08-20
Publication date: 2025-03-10

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к изолированным проводам статоров электродвигателей. Технический результат заключается в повышении стойкости провода к воздействию масел при высоком электрическом напряжении. Технический результат достигается тем, что провод содержит медную токопроводящую жилу, покрытую изоляционным слоем в виде обмотки из полиимидной пленки. Обмотка получена монолитизацией полиимидной пленки, которая дополнительно содержит терморазмягчающийся слой на основе термопластичного полиимида, в который добавлены наночастицы оксида кремния и оксида алюминия размером от 15 нм до 200 нм. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

The utility model relates to electrical engineering, namely to insulated wires of electric motor stators. The technical result consists in increasing the resistance of the wire to the effects of oils at high electric voltage. The technical result is achieved in that the wire contains a copper conductive core covered with an insulating layer in the form of a winding made of polyimide film. The winding is obtained by monolithization of a polyimide film, which additionally contains a heat-softening layer based on thermoplastic polyimide, to which nanoparticles of silicon oxide and aluminum oxide with a size of 15 nm to 200 nm are added. 2 c.p. phyl., 1 fig.

Description

Область техники, к которой относится полезная модельThe field of technology to which the utility model relates

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к изолированным проводам, применяемым для высокого температурного класса, которые могут быть использованы для обмоток электродвигателей, подвергаемых воздействию повышенных температур, в частности, для статоров погружных насосов.The utility model relates to the field of electrical engineering, namely to insulated wires used for a high temperature class, which can be used for windings of electric motors exposed to elevated temperatures, in particular, for stators of submersible pumps.

Уровень техникиState of the art

Из уровня техники известен провод обмоточный, содержащий токопроводяшую жилу из изолированных проволок, изоляция проволок выполнена из полиимидной пленки с двухсторонним фторопластовым покрытием с термосвариваемыми поверхностями (патент РФ №178395, опубликовано 05.04.2018). Данный известный провод обладает недостаточным температурным индексом и массогабаритными характеристиками.A winding wire is known from the prior art, containing a conductive core made of insulated wires, the wire insulation is made of polyimide film with a double-sided fluoroplastic coating with heat-weldable surfaces (RU Patent No. 178395, published on 05.04.2018). This known wire has insufficient temperature index and weight and size characteristics.

Сущность полезной моделиThe essence of the utility model

Задачей полезной модели является создание обмоточного провода, обладающего улучшенными электромеханическими свойствами.The objective of the utility model is to create a winding wire with improved electromechanical properties.

Достигаемый технический результат: повышение стойкости провода к воздействию масел при высоком электрическом напряжении.The technical result achieved: increased resistance of the wire to the effects of oils at high electrical voltage.

Указанный технический результат достигается тем, что электрический обмоточный провод, содержащий медную токопроводящую жилу, покрытую изоляционным слоем в виде обмотки из полиимидной пленки, упомянутая обмотка получена монолитизацией упомянутой полиимидной пленки, при этом упомянутая пленка дополнительно содержит терморазмягчающийся слой на основе термопластичного полиимида, в который добавлены наночастицы оксида кремния и оксида алюминия размером от 15 нм до 200 нм.The specified technical result is achieved in that the electrical winding wire contains a copper conductive core covered with an insulating layer in the form of a winding made of a polyimide film, said winding being obtained by monolithizing said polyimide film, wherein said film additionally contains a heat-softening layer based on thermoplastic polyimide, to which nanoparticles of silicon oxide and aluminum oxide with a size of 15 nm to 200 nm are added.

Перечень фигур чертежейList of drawing figures

На Фиг. 1 показано поперечное сечение провода.Fig. 1 shows the cross-section of the wire.

Осуществление полезной моделиImplementation of a utility model

В области электротехники выделяется класс электрических машин, работающих в экстремальных условиях - высокая температура, воздействие агрессивных сред, высокие нагрузки. Примером таких машин являются погружные скважинные насосы.In the field of electrical engineering, a class of electrical machines is distinguished that operate in extreme conditions - high temperature, exposure to aggressive environments, high loads. An example of such machines are submersible borehole pumps.

К работающему в тяжелых условиях оборудованию предъявляются повышенные требования. Так, обмоточные провода статоров погружных насосов должны обладать высокой стойкостью к воздействию органических агрессивных сред (например, масла). Изоляция таких проводов должна быть как можно тоньше, для улучшения теплоотвода при токовой нагрузке. Минимальная толщина изоляции позволяет увеличить количество витков в пазах обмотки, имеющих ограниченный объем. Это особенно необходимо для электрических машин, работающих в ограниченном пространстве, например, в скважинах. Для таких условий необходимо обеспечить максимальные удельные показатели мощности и производительности.Equipment operating in harsh conditions is subject to increased requirements. Thus, winding wires of submersible pump stators must be highly resistant to the effects of organic aggressive environments (e.g. oil). The insulation of such wires must be as thin as possible to improve heat dissipation under current load. The minimum insulation thickness allows increasing the number of turns in the winding slots, which have a limited volume. This is especially necessary for electric machines operating in a limited space, for example, in wells. For such conditions, it is necessary to ensure maximum specific power and performance indicators.

Все компоненты погружных насосов эксплуатируются в условиях вибрационной нагрузки высокой интенсивности, что требует повышенной прочности обмоточного провода в условиях механических вибраций.All components of submersible pumps are operated under conditions of high-intensity vibration loads, which requires increased strength of the winding wire under mechanical vibration conditions.

Прочность провода складывается из прочности частей провода (токопроводящей жилы и изоляции), а также из величины адгезии между частями провода - между токопроводящей жилой и изоляцией и между витками изоляционного материала. Дальнейшее увеличение прочности провода происходит при стекловании изоляционного материала с образованием монолитизированного покрытия.The strength of the wire is made up of the strength of the parts of the wire (the conductive core and the insulation), as well as the amount of adhesion between the parts of the wire - between the conductive core and the insulation and between the turns of the insulating material. A further increase in the strength of the wire occurs during the vitrification of the insulating material with the formation of a monolithic coating.

Монолитизация слоев полиимидной пленки может быть осуществлена за счет сплавления адгезионных слоев легкоплавкого покрытия, нанесенных на основной слой.The monolithization of layers of polyimide film can be achieved by fusing adhesive layers of low-melting coating applied to the base layer.

Выполнение основного и дополнительного адгезионного слоев из одного и того же материала обеспечивает их термодинамическую совместимость и высокую адгезионную прочность, что обеспечит целостность обмотки и исключит ее расслаиваемость. Обеспечение монолитизации устраняет необходимость применения адгезионных праймеров и последующей компаундной пропитки изоляции. В результате монолитизации образуется высокопрочная химически стойкая изоляционная обмотка провода, сохраняющая свои свойства в широком интервале температур эксплуатацииThe implementation of the main and additional adhesive layers from the same material ensures their thermodynamic compatibility and high adhesive strength, which will ensure the integrity of the winding and eliminate its delamination. Ensuring monolithization eliminates the need to use adhesive primers and subsequent compound impregnation of the insulation. As a result of monolithization, a high-strength chemically resistant insulating winding of the wire is formed, retaining its properties in a wide range of operating temperatures.

При монолитизации протекают ряд механо-реологических процессов, включающих уплотнение места контакта слоев пленки и молекулярную диффузию слоев полиимида (подобную термической сварке или спеканию) с последующим охлаждением и отвердеванием материала обмотки.During monolithization, a number of mechano-rheological processes occur, including compaction of the contact point of the film layers and molecular diffusion of the polyimide layers (similar to thermal welding or sintering) followed by cooling and hardening of the winding material.

Провод обмоточный содержит медную токопроводящую жилу 1, покрытую изоляционным слоем в виде обмотки 2. Использование меди обеспечивается повышение электрических и механических характеристик провода за счет улучшение адгезии с полиимидным изоляционным слоем. Повышение адгезии возникает за счет верхнего окисленного слоя медной жилы.The winding wire contains a copper conductive core 1 covered with an insulating layer in the form of a winding 2. The use of copper ensures an increase in the electrical and mechanical characteristics of the wire due to improved adhesion with the polyimide insulating layer. The increase in adhesion occurs due to the upper oxidized layer of the copper core.

Изоляционный слой выполнен из полимерного термореактивного материала, в качестве которого используется полиимидная пленка, имеющая, дополнительный терморазмягчающийся слой на основе композиционно наполненного термопластичного полиимида. В отличии от адгезионных фторопластовых слоев на полиимидной основе, выполнение всех элементов пленки из термореактивной полиимидной основы и термопластичного полиимидного терморазмягчающегося слоя обеспечивает максимальною монолитизацию провода.The insulating layer is made of a polymer thermosetting material, which is a polyimide film, which has an additional heat-softening layer based on composite filled thermoplastic polyimide. Unlike adhesive fluoroplastic layers on a polyimide base, the execution of all elements of the film from a thermosetting polyimide base and a thermoplastic polyimide heat-softening layer ensures maximum monolithization of the wire.

Необходимые свойства могут достигаться добавлением в состав терморазмягчающегося полиимидного слоя наночастиц диэлектрического композиционного наполнителя из твердых, тугоплавких и прочных материалов с плотностью не менее 1,7 г/см³. Наиболее предпочтительно использовать в качестве дисперсного наполнителя смесь оксида кремния и оксида алюминия. Данные материалы относятся к кислотным и амфотерным оксидам, склонным к стеклованию. Эти материалы имеют высокие диэлектрические свойства и под воздействием электричества не нагреваются. Важным является то, что наночастицы из указанных материалов имеют низкую влажность и химически инертны. Низкая химическая активность оксидов кремния и алюминия повышает короностойкость провода, поскольку при коронном разряде образуется озон, разрушающий традиционные изоляционные материалы. Оксид алюминия обладает более высокой плотностью и твердостью.The required properties can be achieved by adding nanoparticles of a dielectric composite filler made of hard, refractory and durable materials with a density of at least 1.7 g/cm ³ to the heat-softening polyimide layer. It is most preferable to use a mixture of silicon oxide and aluminum oxide as a dispersed filler. These materials are acidic and amphoteric oxides prone to glass formation. These materials have high dielectric properties and do not heat up under the influence of electricity. It is important that nanoparticles from these materials have low humidity and are chemically inert. Low chemical activity of silicon and aluminum oxides increases the corona resistance of the wire, since ozone is formed during a corona discharge, which destroys traditional insulating materials. Aluminum oxide has a higher density and hardness.

Суммарное количество композиционного наполнителя составляет от 0,1 мас. % до 5 мас. %. При более высоком содержании повышается риск агломерации частиц, что приведет к анизотропии свойств.The total amount of composite filler is from 0.1 wt.% to 5 wt.%. At higher content, the risk of particle agglomeration increases, which will lead to anisotropy of properties.

Обмотка провода получается термической сваркой слоев полиимидной термореактивной пленки с полиимидным терморазмягчающимся адгезионным слоем. При воздействии температуры происходит размягчение адгезионного слоя пленки и его спекание с соседним слоем с последующей монолитизацией. Добавление композиционного наполнителя обеспечивает высокую маслостойкость и повышает пробивное напряжение.The winding of the wire is obtained by thermal welding of layers of polyimide thermosetting film with a polyimide heat-softening adhesive layer. When exposed to temperature, the adhesive layer of the film softens and sinters with the adjacent layer, followed by monolithization. Addition of a composite filler ensures high oil resistance and increases the breakdown voltage.

Толщина изоляционного слоя, предпочтительно, не должна превышать 0,3 мм.The thickness of the insulating layer should preferably not exceed 0.3 mm.

Монолитизация слоев полиимидной пленки с добавлением смеси наночастиц оксидов кремния и алюминия обеспечивает температурный индекс провода не менее 250 градусов Цельсия.Monolithization of polyimide film layers with the addition of a mixture of silicon and aluminum oxide nanoparticles provides a wire temperature index of at least 250 degrees Celsius.

Полезная модель осуществляется следующим образом.The utility model is implemented as follows.

Медную токопроводящую жилу обматывают спирально пленкой, имеющей полиимидную основу и полиимидный терморазмягчающийся адгезионный слой. Толщина основы пленки нецелесообразно делать более 25 мкм, а толщину адгезионного слоя более 7 мкм. При больших значениях усложняются условия спекания слоев и последующей монолитизации. Минимальное количество слоев может составлять три слоя, в зонах перекрытия слоев - от четырех до шести. Также возможен вариант, когда на всех участках изоляции слоев составляет шесть. При большем количестве слоев уменьшается эластичность при изгибе вокруг стержня с диаметром, равным трехкратному диаметру провода. Наиболее оптимальным является выполнение обмотки из четырех слоев пленки. В зависимости от выбора количества слоев пленки, ее толщина также может варьироваться с учетом применяемой технологии монолитизации.The copper conductive core is spirally wound with a film having a polyimide base and a polyimide heat-softening adhesive layer. It is not advisable to make the film base thickness more than 25 µm, and the adhesive layer thickness more than 7 µm. At higher values, the conditions for sintering the layers and subsequent monolithization become more complicated. The minimum number of layers can be three layers, in the overlapping zones of the layers - from four to six. It is also possible to have six layers in all areas of insulation. With a larger number of layers, the elasticity decreases when bending around a rod with a diameter equal to three times the diameter of the wire. The most optimal is to make a winding from four layers of film. Depending on the choice of the number of film layers, its thickness can also vary taking into account the applied monolithization technology.

В состав термопластичного полиимидного терморазмягчающегося слоя добавляют от 0,1 мас. % до 5 мас. % дисперсного оксида кремния и оксида алюминия. Размер наночастиц предпочтительно выбрать от 15 нм до 200 нм. При большем размере частиц уменьшается суммарная площадь поверхности контакта между ними и полимерной матрицей.From 0.1 wt. % to 5 wt. % of dispersed silicon oxide and aluminum oxide are added to the thermoplastic polyimide heat-softening layer. The size of the nanoparticles is preferably selected from 15 nm to 200 nm. With a larger particle size, the total contact surface area between them and the polymer matrix decreases.

Диэлектрические наночастицы распределяются и диспергируются в полиимидной терморазмягчающемся слое, смачиваются расплавом полимерной матрицы и повышают прочность и устойчивость изоляции к воздействию агрессивных сред, при этом диэлектрические наноматериалы не ухудшают электрических свойств изоляции. Добавка наноматериалов в указанном количестве и с указанным размером частиц не допускает их агломерации в полимерной матрице, что обеспечивает изотропность свойств изоляции.Dielectric nanoparticles are distributed and dispersed in the polyimide heat-softening layer, wetted by the polymer matrix melt and increase the strength and resistance of the insulation to aggressive environments, while dielectric nanomaterials do not worsen the electrical properties of the insulation. The addition of nanomaterials in the specified quantity and with the specified particle size does not allow their agglomeration in the polymer matrix, which ensures the isotropy of the insulation properties.

Добавка наночастиц обеспечивает температуру стеклования не ниже 311 градусов Цельсия.The addition of nanoparticles ensures a glass transition temperature of at least 311 degrees Celsius.

Токопроводяющую жилу с наложенной обмоткой далее подвергают термическому воздействию, в результате которого происходит размягчение адгезионного слоя и его молекулярное взаимодействие с основой соседнего слоя пленки. Возникшая в результате молекулярной диффузии адгезия обеспечивает прочное соединение слоев пленки, а последующая монолитизация места контакта разогретого полиимида создает монолитную структуру провода, не требующую дополнительной пропитки компаундами.The conductive core with the applied winding is then subjected to thermal action, which results in the softening of the adhesive layer and its molecular interaction with the base of the adjacent film layer. The adhesion resulting from molecular diffusion ensures a strong connection of the film layers, and the subsequent monolithization of the contact point of the heated polyimide creates a monolithic structure of the wire, which does not require additional impregnation with compounds.

Механическая прочность провода при истирании такова, что позволяет выдержать не менее 1000 циклов возвратно-поступательных ходов иглы при нагрузке на иглу 7,8 Н. Конструкция провода обеспечивает величину участка потери адгезии при растяжении провода на 10% не более 0,5% при испытаниях согласно ГОСТ ИЕС 60851-3. Провод также позволяет сохранять стойкость к воздействию масел при температуре до 311 градусов Цельсия. Испытаний на температурный индекс проводились в соответствии с МЭК 60172.The mechanical strength of the wire during abrasion is such that it can withstand at least 1000 cycles of reciprocating strokes of the needle with a load on the needle of 7.8 N. The design of the wire ensures the size of the area of adhesion loss when the wire is stretched by 10% of no more than 0.5% when tested according to GOST IEC 60851-3. The wire also allows maintaining resistance to the effects of oils at temperatures up to 311 degrees Celsius. Temperature index tests were carried out in accordance with IEC 60172.

Испытания согласно ГОСТ 2990-78 подтвердили значение пробивного напряжения не менее 18,5 кВ.Tests according to GOST 2990-78 confirmed the breakdown voltage value of at least 18.5 kV.

Степень монолитизации провода такова, что электрическое сопротивлении изоляции достигает значения 2200 МОм/км при испытаниях согласно ГОСТ 3345-76.The degree of monolithization of the wire is such that the electrical resistance of the insulation reaches a value of 2200 MOhm/km when tested according to GOST 3345-76.

Испытания на сохраняемость электро-механических свойств при воздействии масел проводились на образцах, длиной 0,8 м. U-образные образцы испытывали напряжением 6 кВ переменного тока частотой 0 Гц в течение одной минуты в воде при нормальной температуре. Затем погружали провод в масло и выдерживали при температуре 150 градусов Цельсия в течение 4 суток. Затем образцы выдерживали при нормальной температуре в течение двух часов и подвергали комплексу испытаний, которые подтвердили сохраняемость электромеханических характеристик провода и его целостность.Tests for the retention of electromechanical properties under the influence of oils were carried out on samples 0.8 m long. U-shaped samples were tested with a voltage of 6 kV alternating current with a frequency of 0 Hz for one minute in water at normal temperature. Then the wire was immersed in oil and kept at a temperature of 150 degrees Celsius for 4 days. Then the samples were kept at normal temperature for two hours and subjected to a set of tests that confirmed the retention of electromechanical characteristics of the wire and its integrity.

Примеры осуществления полезной модели.Examples of implementation of the utility model.

Пример 1:Example 1:

Электрический обмоточный провод: материал токопроводящей жила - медь. Изоляция - обмотка из полиимидной пленки с толщиной основы 20 мкм и толщиной терморазмягчающегося полиимидного слоя 5 мкм. Дисперсный наполнитель: оксид кремния и оксил алюминия в количестве 4,7%, размер частиц 80-120 мкм. Температурный индекс провода составил 278°С. Механическая прочность на истирание - 1280 циклов хода иглы при нагрузке на иглу 7,8 Н. Величина пробивного напряжения 25,4 кВ.Electric winding wire: the material of the conductive core is copper. Insulation - winding made of polyimide film with a base thickness of 20 μm and a heat-softening polyimide layer thickness of 5 μm. Dispersed filler: silicon oxide and aluminum oxide in an amount of 4.7%, particle size of 80-120 μm. The temperature index of the wire was 278 ° C. Mechanical abrasion resistance - 1280 needle stroke cycles at a needle load of 7.8 N. Breakdown voltage value is 25.4 kV.

Пример 2:Example 2:

Электрический обмоточный провод: материал токопроводящей жила - медь. Изоляция - обмотка из полиимидной пленки с толщиной основы 20 мкм и толщиной терморазмягчающегося полиимидного слоя 5 мкм. Дисперсный наполнитель: оксид кремния и оксид алюминия в количестве 2,0%, размер частиц 30-70 мкм. Температурный индекс провода составил 261°С. Механическая прочность на истирание - 1170 циклов хода иглы при нагрузке на иглу 7,8 Н. Величина пробивного напряжения 23,7 кВ.Electric winding wire: the material of the conductive core is copper. Insulation - winding made of polyimide film with a base thickness of 20 μm and a heat-softening polyimide layer thickness of 5 μm. Dispersed filler: silicon oxide and aluminum oxide in an amount of 2.0%, particle size 30-70 μm. The temperature index of the wire was 261 ° C. Mechanical abrasion resistance - 1170 needle stroke cycles at a needle load of 7.8 N. Breakdown voltage value is 23.7 kV.

Claims

1. An electric winding wire containing a copper conductive core covered with an insulating layer in the form of a winding made of a polyimide film, said winding being obtained by monolithizing said polyimide film, wherein said film additionally contains a heat-softening layer based on thermoplastic polyimide, to which silicon oxide and aluminum oxide nanoparticles of a size from 15 nm to 200 nm are added.

2. The wire according to item 1, characterized in that the monolithization of the layers of the polyimide film ensures a temperature index of the wire of at least 250 degrees Celsius.

3. The wire according to item 1, characterized in that the heat-softening layer has a glass transition temperature of at least 311 degrees Celsius.