漆包線介電譜分析技術(shù)及其應(yīng)用 NEW

1、介電譜分析技術(shù)在漆包線生產(chǎn)上的應(yīng)用體會(huì)杜邦集團(tuán)中國有限公司Dupont Holding China Co.,Ltd段宗友Duan Zong You摘要：本文主要闡述了介電譜分析技術(shù)的機(jī)理及介電譜分析技術(shù)在電磁線行業(yè)的幾個(gè)應(yīng)用。關(guān)鍵詞：介電譜分析；技術(shù)；電磁線；介質(zhì)損耗；電介質(zhì)；漆膜；熱沖擊Abstract:This article present the principle of medium loss chart analyse technology and the application of medium loss chart analyse in magnet wire industr

2、y.Key words: medium loss chart analyse ; technology ; magnet wire; medium loss;electric medium ;enameling coating ;heat shock一、 前言電氣絕緣是電機(jī)電器的最重要的組成部分，除了絕緣工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之外，電氣絕緣材料本身，包括漆包線的質(zhì)量是直接影響電機(jī)電器可靠性和壽命的關(guān)鍵，而采用介電分析方法可以分析、控制漆包線的內(nèi)在質(zhì)量，是促進(jìn)國內(nèi)產(chǎn)品躋生于國際市場的重要途徑。隨著國際上介電分析技術(shù)的發(fā)展，介電譜分析技術(shù)得到越來越廣泛的應(yīng)用。在電磁線行業(yè)，介電譜分析技術(shù)也得到一定的應(yīng)用，

3、一部分研究成果已從實(shí)驗(yàn)室走向企業(yè)，如丹麥DANSK SYSTEM ELEKTRONIK公司生產(chǎn)的TD300，TD9000 tg快速測試儀及其分析技術(shù)，意大利REGEON 公司快速測試儀及其分析技術(shù)，上海迪安電工得到世界各國電磁線企業(yè)的認(rèn)可。這里筆者聯(lián)系工作實(shí)際，談?wù)勛约旱膽?yīng)用體會(huì)。二、 介電譜分析技術(shù)的機(jī)理1幾個(gè)高分子的幾個(gè)基本知識(shí)。為了更容易理解和掌握介電譜分析技術(shù)，我們來學(xué)習(xí)一下高分子的幾個(gè)基本知識(shí)。11 高分子鏈：由單體（小分子）通過聚合反應(yīng)連接而成的鏈狀分子。請(qǐng)看下圖：下面分子鏈中側(cè)面的分支是支鏈。12高分子的三個(gè)不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。隨著溫度有低到高的變化，高聚物可經(jīng)歷三種不同的力學(xué)狀態(tài)：玻

4、璃態(tài)、高彈態(tài)和黏流態(tài)，個(gè)反映不同的分子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。121高聚物在玻璃態(tài)時(shí)，由于溫度較低，只有側(cè)基、鏈節(jié)、短支鏈等小運(yùn)動(dòng)單元的運(yùn)動(dòng)及鍵長、鍵角的變化。這時(shí)高聚物是穩(wěn)定的，對(duì)于絕緣材料來講，它有很好的絕緣性能。高聚物在玻璃化溫度后，介質(zhì)損耗角正切發(fā)生突變，這意味著通過漆膜中的漏導(dǎo)電流突然增大，對(duì)漆包線來講就是絕緣有功損耗增大，絕緣發(fā)熱，而這對(duì)于充當(dāng)絕緣材料的漆膜來講是不允許的，這就是我們要求漆包線要在玻璃化溫度下使用。122高聚物在高彈態(tài)時(shí)，或者高聚物從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變到高彈態(tài)時(shí)，這時(shí)是鏈段的運(yùn)動(dòng)，高分子鏈在保持其質(zhì)量重心不變的情況下，一部分鏈段通過單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)而相對(duì)于另一部分鏈段的運(yùn)動(dòng)。漆包線漆膜絕緣能力

5、大大下降。123高聚物在黏流態(tài)時(shí)，是高分子鏈的整體運(yùn)動(dòng)，漆包線漆膜基本上沒有絕緣能力。13 偶極子和極化偶極子：物質(zhì)是由分子，原子構(gòu)成的，當(dāng)分子中電荷分布不均勻時(shí)，分子中某一部分可能帶正點(diǎn)，另一部分可能帶負(fù)電，正電荷的平均中心與負(fù)電荷的平均中心不相重合時(shí)，就形成一個(gè)偶極子。具有極性的分子或具有固有偶級(jí)矩的極性分子我們也可 以把它叫做偶極子。高分子鏈當(dāng)中具有極性的支鏈、支鏈、側(cè)基等就是偶極子，偶極子在外電場作用下其電荷分布會(huì)發(fā)生變化。極化：高聚物在外電場作用下其內(nèi)部分子和原子的電荷分布發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為極化。在電場作用下，非極性分子的正負(fù)電荷中心不再重合，會(huì)在沿電場方向產(chǎn)生一電距，而極性分子

6、本身原來就具有的偶極距就會(huì)在電場作用下隨電場方向偏轉(zhuǎn)。2什么是介電譜分析介電譜是電介質(zhì)的電導(dǎo)、損耗角正切（tg ）、電容、介電常數(shù)等介電參數(shù)隨溫度、時(shí)間、電壓、頻率等變化的各種圖譜，讀譜和分析圖譜就叫介電譜分析，一般的情況下，我們分析介質(zhì)損耗角正切（tg ）在固定頻率下隨溫度變化的圖譜。那么什么是介質(zhì)損耗呢？我們知道，從電學(xué)理論上講，高聚物材料作為電介質(zhì)時(shí)，施加交變電流后，有滯后于電壓90度的電流I C 存在，這是由電容所引起的，電容引起的電流I C 與施加的電壓相位相差90度，因此不消耗任何功率。同時(shí)，高聚物材料作為電介質(zhì)時(shí)，雖然是絕緣體，但實(shí)際的電阻不可能為無窮大，總有一部分漏導(dǎo)電流I R

7、 ，這是由電阻所引起的，I R 與施加電壓相位完全相同，因此有電功率損耗，則電介質(zhì)的“品質(zhì)”可以用I R 與I C 之比來表示，這就是介質(zhì)損耗因子tg I R /IC（是損耗角）簡稱介質(zhì)損耗角正切，如圖1所示。 圖1因此介質(zhì)損耗角正切的物理意義是通過絕緣介質(zhì)中電流的有功分量與無功分量之比，同時(shí)也是能量的有功分量與無功分量之比，tg 越大，損失于介質(zhì)中的能量也越大。因此，消耗于絕緣介質(zhì)中的有功功率稱為介質(zhì)損耗，簡單來說，在交流電壓作用下，絕緣介質(zhì)中發(fā)生部分電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿奈锢憩F(xiàn)象。介質(zhì)損耗增大，引起絕緣發(fā)熱，它的變化是絕緣老化的標(biāo)志之一。Ic=iCUIr=CUC-電容量U=交流電壓=交流電壓的角

8、頻率=復(fù)介電系數(shù)的實(shí)數(shù)部分=復(fù)介電系數(shù)的虛數(shù)部分2 介質(zhì)損耗分析漆膜固化度的機(jī)理21 從高分子物理理論上講，介電損耗與高分子熱力學(xué)狀態(tài)有密切關(guān)系。高聚物具有三種熱力學(xué)狀態(tài)：玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)，如圖2所示： T g T f 溫度（）非晶態(tài)高聚物溫度-形變曲線T g -玻璃化溫度 T f -流動(dòng)溫度圖2研究表明，極性高聚物加上正弦電場，其偶極子就會(huì)響應(yīng)電場的變化而極化，在高聚物玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變區(qū)，極性高聚物性質(zhì)對(duì)溫度十分敏感，在小范圍溫度內(nèi)，即在玻璃化溫度范圍內(nèi)，幾乎所有性質(zhì)都發(fā)生突變，包括介質(zhì)損耗角正切。而高聚物玻璃化溫度（嚴(yán)格來說，玻璃化溫度是一個(gè)溫度范圍）受交聯(lián)作用、分子量的影響，當(dāng)分子間存在

9、化學(xué)交聯(lián)時(shí)，交聯(lián)的密度愈高，玻璃化溫度增加愈甚，再者，當(dāng)分子量達(dá)到某一臨界值之前，玻璃化溫度隨分子量增加而增加。而漆包線漆膜成膜是一個(gè)高分子交聯(lián)反應(yīng)過程，它與反應(yīng)程度有關(guān)，也即漆膜的固化度，在反應(yīng)達(dá)到一定程度前，漆膜的固化度在慢慢提高，漆膜交聯(lián)點(diǎn)增加、分子量增加，玻璃化溫度也增加，因此，漆膜固化度與玻璃化溫度有關(guān)。當(dāng)漆膜受熱時(shí)，在玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變區(qū)介質(zhì)損耗tg 發(fā)生突變（變大），通過切線方法可以求出產(chǎn)生突變時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度（即玻璃化溫度），所以，可以用tg 和玻璃化溫度T g 的關(guān)系，間接分析漆膜的固化程度，這就是用介質(zhì)損耗來分析漆膜固化度的機(jī)理。22 介質(zhì)損耗儀的檢測機(jī)理介質(zhì)損耗檢測原理示意圖 3 介

10、質(zhì)損耗儀的幾個(gè)參數(shù)31介質(zhì)損耗的分辨率：0.0005/C100PF32測試的頻率：1KHZ33溫度范圍：45-300。34 溫度分辨率：0.2，電腦顯示分辨率：135 夾具的選擇：標(biāo)準(zhǔn)圓線夾具：0.05-1.80mm超微線夾具：0.008-0.10mm大圓線夾具：1.80-4.5mm扁線夾具：4X4mm ,4X4mm三、 介電譜分析技術(shù)的應(yīng)用介電譜分析技術(shù)是利用高分子理論中的偶極子作為工具，把絕緣材料的微觀分子結(jié)構(gòu)形態(tài)與宏觀的漆膜介電性能聯(lián)系起來，從而構(gòu)筑了從微觀分子到宏觀性能的橋梁。介電譜分析技術(shù)在電磁線行業(yè)主要有以下幾個(gè)應(yīng)用：1. 通過介電譜分析漆膜固化度，找出對(duì)應(yīng)的最佳工藝參數(shù)。我們?cè)谝?/p>

11、進(jìn)的SICME 設(shè)備上，由于每條生產(chǎn)線可以單獨(dú)調(diào)速，所以能很方便地進(jìn)行工藝幅度試驗(yàn)，因此，我們每換一個(gè)新的絕緣漆品種，都進(jìn)行工藝幅度試驗(yàn)，在漆包線綜合性能（包括外觀）都很好的情況下，可以找出對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)，這就是最佳工藝范圍。圖3是我們?cè)谕粭l生產(chǎn)線在不同車速下得到聚氨酯/聚酰胺的tg 曲線，曲線1、曲線4對(duì)應(yīng)的漆包線性能合格，但裕度不大，曲線2、曲線3對(duì)應(yīng)的漆包線性能最好，那么曲線2、曲線3對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)就是最佳工藝范圍。工藝幅度的確定為我們?cè)谡Ｉa(chǎn)時(shí)提供了很多方便，例如在正常生產(chǎn)時(shí)，我們憑直觀的顏色（當(dāng)然不能完全從顏色來判斷性能）和快速測定的tg 值，來快速判定車速是否在最佳工藝范圍內(nèi)，

12、若不在，可即刻調(diào)整車速，以免減少不符合性能要求的廢線產(chǎn)生。2. 用介電譜驗(yàn)證漆包線的性能和固化度之間的關(guān)系，有效地指導(dǎo)生產(chǎn)。當(dāng)我們找出最佳工藝范圍后，把性能優(yōu)良的漆包線介質(zhì)損耗曲線當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)曲線（如圖4），在生產(chǎn)過程中，只要發(fā)覺線的顏色異常、性能異常，都可以做介質(zhì)損耗曲線，與同品種標(biāo)準(zhǔn)曲線相比較，看看漆膜固化度是否恰當(dāng)，因?yàn)樵谙嗤臈l件下，在漆膜中損耗的能量是一樣的。例如：圖5是漆膜烘焙不夠的聚氨酯漆包線，急拉斷后漆皮脫落，圖6是同品種性能優(yōu)良的聚氨酯標(biāo)準(zhǔn)曲線，從拐點(diǎn)上看，圖5拐點(diǎn)明顯偏低，溫度不高時(shí)tg 值就發(fā)生突變，因而漆膜固化不足。我們還可以通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明這一結(jié)論，把圖5固化不足的漆包

13、線在熱沖擊溫度下烘焙7-10分鐘，發(fā)現(xiàn)急拉斷合格，漆膜不脫落，性能合格，介質(zhì)損耗曲線如圖7，說明漆膜固化不足，再次烘焙后漆膜固化度提高。從以上分析看，介電譜分析的確構(gòu)筑了從微觀分子到宏觀性能的橋梁，可以驗(yàn)證漆包線性能和固化度之間的關(guān)系，從而可以作為保證產(chǎn)品質(zhì)量的一種手段。除上述應(yīng)用外，介電譜分析技術(shù)還有很多其他方面的應(yīng)用，如辨明漆包線耐熱等級(jí)，判定漆包線的穩(wěn)定性等，這些還有待我們進(jìn)一步去分析研究、運(yùn)用。四幾種異形tg 曲線的分析如圖8，曲線5 tg 值時(shí)大時(shí)小，是接觸不良所致；曲線6 tg 值突然直線上升，說明漆包線上有針孔；曲線7 在波峰出現(xiàn)tg 值有小幅度上升，是漆包線含有少量溶劑，漆膜沒有固化充分所致。 五結(jié)束語 運(yùn)用介電譜分析技術(shù)得到性能優(yōu)良的漆包線介質(zhì)損耗曲線，可以指導(dǎo)漆包線生產(chǎn)， 調(diào)整工藝，還可以作為保證產(chǎn)品質(zhì)量的一種手段，因此，若能進(jìn)一步研究介電譜分析技 術(shù)，對(duì)電磁線行業(yè)將有深遠(yuǎn)的意義。 杜邦中國集團(tuán)有限公司