高導熱耐高溫環氧灌封樹脂在低壓電機上的應用研究

史開華，劉冠芳，牛玉龍，馬紅亮，雷平振

（中車永濟電機有限公司，陜西 西安 710016）

0 引言

絕緣結構是電機的“心臟”，電機運行的可靠性很大程度上由電機絕緣的性能決定[1-2]。隨著電機向高功率密度化、小型輕量化和高度集成化方向發展，電機的運行溫度越來越高，將會加速絕緣材料的老化失效，極大地降低電機運行的可靠性和壽命[3-6]。電機絕緣結構的溫度每增加10℃，預期壽命就會縮短一半[7]。因此，提高絕緣結構的耐熱性和導熱性已成為現代電機技術發展亟待解決的問題之一。

低壓電機的絕緣結構主要由漆包線、槽絕緣、浸漬樹脂等組成，其中浸漬樹脂為連續相。按照宏觀熱傳導理論，絕緣結構的導熱系數受連續相導熱系數的影響最大，在一定范圍內其導熱系數幾乎正比于連續相的導熱系數[8-9]。環氧樹脂具有優良的電氣性能、力學性能和耐腐蝕性能，其固化收縮率和線膨脹系數小，固化物尺寸穩定，且由于環氧材料的配方設計靈活性和多樣性，可獲得幾乎能適應各種性能要求的材料，被廣泛應用于不同領域[10-12]。因此，采用高導熱耐高溫環氧灌封樹脂并通過真空灌封工藝對電機定子進行整體灌封，可以讓高導熱樹脂滲透到所有細微的空間，最大限度消除電機絕緣內部的空隙，提高絕緣結構的整體性和導熱性，從而有效地改變電機熱場的溫度分布和散熱能力[4,7,13-14]。同時，對電機繞組進行整體灌封保護可極大地降低外部環境的不利因素如低氣壓、潮氣、鹽霧、塵埃等對電機絕緣的影響，增強絕緣安全可靠性并延長使用壽命[15]。

本研究針對某高導熱耐高溫環氧灌封樹脂的常規性能、耐熱性能、導熱性能及耐環境性能等進行分析，并對其在低壓電機上的應用進行研究。

1 試驗

1.1 主要原材料及儀器設備

環氧灌封樹脂由國內某絕緣材料廠家提供，由環氧樹脂（A組份）和環氧固化劑（B組份）兩部分流體組成，不含揮發性惰性溶劑（苯、甲苯及二甲苯等），環保無刺鼻性氣味，且可整體固化。其中，A組份由雙酚A型環氧樹脂、雙酚F型環氧樹脂、1,6-己二醇二縮水甘油醚、氮化硼等高導熱填料按一定比例混合而成；B組份由聚醚胺、異佛爾酮二胺、聚醚多元醇、氮化硼等高導熱填料按一定比例混合而成。

主要儀器及設備：9450型真空灌封設備，宜格賽特自動化技術（蘇州）有限公司；DHG-9070A型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海飛越實驗儀器有限公司；QS37型高精密高壓電容電橋、PC68型數字高阻計，上海精密科學儀器有限公司；HT-10/50型電氣擊穿測試儀，桂林電器科學研究院有限公司；LFA-457型激光導熱測試儀，德國耐馳公司；QS30D型智能化介質損耗儀，上海瓊虹電子系統集成有限公司；1550B型絕緣電阻測試儀，美國Fluke公司；PDSMART型局部放電測試儀，德國Doble Lemke公司；HTS25053型溫度沖擊箱，重慶漢瞻儀器有限公司。

1.2 樣機制作

以自主研發的某型號異步電動機為研究對象，分別采用如表1所示的兩種不同對地絕緣處理工藝制作樣機并進行性能對比測試。絕緣處理后的電機外觀如圖1所示。該電機的基本參數：電機額定電壓為575 V，額定電流為28.4 A，額定功率為22.05 kW，耐溫等級為H級，冷卻方式為表面風冷。

表1 對地絕緣處理工藝對比Tab.1 Comparison of the insulation process

圖1 異步電動機絕緣處理后外觀圖Fig.1 Appearance of the asynchronous motor after insulating treatment

VPI工藝：定子嵌線后在（100±3）℃下預熱6 h→冷卻至40～50℃→抽真空（≤100 Pa）/1 h→輸漆→抽真空（≤100 Pa）/1 h→加壓0.5 MPa/1 h→解壓→滴漆→在（170±3）℃/10 h條件下烘焙固化。

真空灌封工藝：定子嵌線后在（100±3）℃下預熱2 h→置于灌膠設備的真空箱內→抽真空至100 kPa以下→真空灌注樹脂（A組份和B組份分別提前預熱至（85±5）℃）→解除真空→在（120±3）℃/4 h條件下烘焙固化。

1.3 測試方法

1.3.1 常規性能測試

按照GB/T 15022.2—2017《電氣絕緣用樹脂基活性復合物第2部分：試驗方法》[16]測試環氧灌封樹脂的常規性能。

1.3.2 耐熱性能測試

按照GB/T 11026.1—2016《電氣絕緣材料耐熱性第1部分：老化程序和試驗結果的評定》[17]和GB/T 11026.2—2012《電氣絕緣材料耐熱性第2部分：試驗判斷標準的選擇》[18]對環氧灌封樹脂的溫度指數進行評定。熱氧老化試驗溫度分別為220、240、260℃，以質量損失5%作為壽命終點。試樣尺寸為45 mm×45 mm×2 mm，固化條件為：（120±3）℃/4 h。

1.3.3 耐低溫及冷熱沖擊性能測試

試驗樣品：在45 mm×45 mm×20 mm的鋁盒中加入10 g環氧灌封樹脂，并在不同鋁盒中放置5根20 mm長的φ1 mm的漆包線、1根20 mm長的熔敷導線、1個M10螺母，在（120±3）℃/4 h條件下烘焙固化。

按照GB/T 2423.1—2008《電工電子產品環境試驗 第2部分：試驗方法 試驗A：低溫》[19]和GB/T 2423.22—2012《環境試驗第2部分：試驗方法試驗N：溫度變化》[20]分別進行低溫和冷熱沖擊試驗。低溫試驗的條件為：（-45±3）℃/96 h；冷熱沖擊試驗的條件為：高溫（155±3）℃下0.5 h，低溫（-45±3）℃下0.5 h，高低溫轉換時間≤3 min，共循環100個周期。

1.3.4 與漆包線的相容性測試

按照GB/T 4074.5—2008《繞組線試驗方法第5部分：電性能》[21]制作漆包線（聚酯亞胺涂層）絞線對，并分別測試絞線對在環氧樹脂和環氧固化劑中常溫浸泡24 h前后的擊穿電壓，以考核環氧灌封樹脂與漆包線的相容性。

1.3.5 電機溫升測試

按照GB/T 1032—2012《三相異步電動機試驗方法》[22]在相同的試驗條件下，對兩臺樣機采用直接負載法進行電機溫升試驗。

1.3.6 電機電氣性能測試

按照GB/T 34665—2017《電機線圈/繞組絕緣介質損耗因數測量方法》[23]測試電機的介質損耗因數。

按照GB/T 20833.1—2016《旋轉電機旋轉電機定子繞組絕緣第1部分：離線局部放電測量》[24]測試電機的局部放電起始電壓（PDIV）和局部放電熄滅電壓（PDEV）。

參照JB/T 8439—2008《使用于高海拔地區的高壓交流電機防電暈技術要求》[25]測試電機的起暈電壓。

1.3.7 電機防潮性能測試

將電機放入水槽中，三相引出線露出水面，每隔一定時間按照GB/T 20160—2006《旋轉電機絕緣電阻測試》[26]測試電機的浸水絕緣電阻（浸水狀態下測試），以測試其防潮性能。

2 結果與討論

2.1 環氧灌封樹脂的基本性能

2.1.1 常規性能

環氧灌封樹脂的常規性能測試結果如表2所示。從表2可以看出，該環氧灌封樹脂具有較低的吸水率及優良的力學性能和電氣性能；導熱系數為1.18 W/(m·K)，具有優異的導熱性能。綜上所述，該高導熱環氧灌封樹脂可以滿足電機繞組灌封用樹脂的要求。

表2 環氧灌封樹脂（混合后）的常規性能Tab.2 General performance of the epoxy casting resin

2.1.2 耐熱性能

將環氧灌封樹脂置于不同溫度的熱空氣下進行長期老化，以質量損失5%作為失效判據，測定其溫度指數，以測試其在高溫條件下的長期使用壽命。環氧灌封樹脂在不同溫度下的熱氧老化壽命如表3所示。

表3 環氧灌封樹脂在不同溫度下的熱氧老化壽命Tab.3 Thermal oxygen ageing life of the epoxy casting resin at different temperature

在一定的溫度范圍內，絕緣材料熱氧老化壽命的對數與熱力學老化溫度的倒數呈線性關系，如式（1）所示。

式（1）中：τ為材料在絕對溫度T下的壽命；A和B為常數。將環氧灌封樹脂在不同溫度下的熱氧老化壽命測試數據進行線性擬合，結果如圖2所示。由圖2可知，熱氧老化壽命為20 000 h時的溫度為187.5℃，即為環氧灌封樹脂的溫度指數。

圖2 環氧灌封樹脂耐熱性Fig.2 Heat resistance of the epoxy casting resin

2.1.3 耐低溫及冷熱沖擊性能

環氧灌封樹脂在帶嵌件條件下的耐低溫及耐冷熱沖擊性能測試結果如圖3和表4所示，其中圖3從左到右依次為加熔導線固化的厚層、加M10螺母固化的厚層和加漆包線固化的厚層。從圖3和表4可以看出，該環氧灌封樹脂帶嵌件試樣經過長時低溫及冷熱沖擊試驗后未出現開裂現象，具有優異的耐低溫及冷熱沖擊性能。

圖3 環氧灌封樹脂低溫及冷熱沖擊試驗后外觀Fig.3 Appearance of the epoxy casting resin after low-temperature cold and thermal shock tests

表4 環氧灌封樹脂耐低溫及冷熱沖擊性能Tab.4 Low temperature resistance and cold and thermal shock resistance of the epoxy casting resin

2.1.4 與漆包線的相容性

漆包線分別在環氧樹脂和環氧固化劑中常溫浸泡24 h前后的擊穿電壓如圖4所示。從圖4可以看出，浸泡環氧樹脂和環氧固化劑后，絞線對的擊穿電壓無顯著變化，說明該環氧灌封樹脂對漆包線的絕緣性能無不良影響，具有良好的相容性。

圖4 漆包線浸泡環氧灌封樹脂前后的擊穿電壓Fig.4 Breakdown voltage of the varnished wire before and after soaking the epoxy casting resin

2.2 環氧灌封樹脂在電機上的應用

2.2.1 電機溫升對比

在相同的試驗條件下，兩臺樣機的繞組溫升測試結果如圖5所示。由圖5可知，相對于電機A，電機B的定子繞組溫升降低了20.7℃，表明高導熱灌封樹脂的應用可有效提升電機絕緣系統的導熱性能，對于改善電機溫升有較為明顯的作用。根據電機絕緣結構的溫度每增加10℃，預期壽命縮短一半的定則[7]，采用高導熱耐高溫環氧灌封樹脂的絕緣結構可以將電機線圈主絕緣壽命提高近2倍，這可以提高電機工作時的可靠性與穩定性，降低因發熱產生絕緣熱老化被擊穿而發生運行事故的概率，提高電機的工作效率。

圖5 異步電動機定子繞組溫升Fig.5 Temperature rise of the asynchronous motor winding

2.2.2 電機電氣性能對比

電機的介質損耗因數測試結果如圖6所示。從圖6可以看出，在1 500 V以下，電機A和電機B的介質損耗因數相當，且穩定在較低水平。當電壓升至2 000 V時，電機的介質損耗因數均大幅增加，電機A的介質損耗因數增量大于電機B，說明其絕緣內部的空隙更多，從而使絕緣內部局部放電附加的額外損耗增加。

圖6 異步電動機定子介質損耗因數Fig.6 Dielectric loss factor of the asynchronous motor

電機的局部放電起始電壓（PDIV）和局部放電熄滅電壓（PDEV）的測試結果如圖7所示。從圖7可以看出，電機A的PDIV和PDEV均低于電機B，進一步說明其絕緣內部的空隙更多。

圖7 異步電動機定子的局部放電電壓Fig.7 Partial discharge voltage of the asynchronous motor

電機A的起暈電壓約為1 500 V，電機B的起暈電壓≥2 000 V，電機A的起暈電壓略低，這主要是由于其采用VPI浸漆工藝，槽口掛漆量較低所致。

綜上所述，相對于VPI浸漆工藝制作的絕緣結構，真空灌封工藝制作的絕緣結構內部空隙更少，且避免了槽口掛漆量較低的缺點，具有更優的電氣性能，在高原等特殊環境條件下應用時具有更優的可靠性。

2.2.3 電機防潮性能對比

將電機A放入水中1 h后，其浸水絕緣電阻即降為0。電機B浸水絕緣電阻隨浸水時間的變化如圖8所示。由圖8可知，電機B浸水7 d后，其浸水絕緣電阻仍保持在8 GΩ以上，具有優異的防潮性能。

圖8 電機B浸水絕緣電阻隨浸水時間的變化趨勢Fig.8 Immersion insulation resistance of the motor B as function of immersion time

2.2.4 電機制造成本對比

相對于電機A，電機B除了所用對地絕緣樹脂和絕緣工藝不同之外，其他均相同。因此，其制造成本的差異主要體現在對地絕緣的材料費用和工藝能耗費用。經核算，相對于電機A，電機B的材料費用約增加120元/臺，工藝制作周期縮短約12 h/臺，工藝能耗費用降低約150元/臺。因此，采用該環氧灌封樹脂后，電機的綜合制造成本稍微下降。

3 結論

（1）該高導熱環氧灌封樹脂具有優異的力學性能和電氣性能，導熱系數為1.18 W/(m·K)，溫度指數達到187.5℃，具有優異的耐低溫及冷熱沖擊性能，且與漆包線具有良好的相容性，可以滿足電機繞組灌封用樹脂的技術要求。

（2）在相同的條件下，相對于采用普通耐高溫絕緣漆的電機，采用高導熱耐高溫環氧灌封樹脂的電機溫升下降20.7℃，高導熱絕緣樹脂的應用可有效提升電機絕緣系統的導熱性能，從而提高電機工作時的可靠性與穩定性，降低因發熱產生絕緣熱老化被擊穿而發生運行事故的概率。

（3）相對于真空壓力浸漆工藝制作的絕緣結構，真空灌封工藝制作的絕緣結構內部空隙更少，且避免了槽口掛漆量較低的缺點，具有更優的電氣性能和防潮性能，且其綜合制造成本基本維持不變。