Способ изготовления цилиндрической печатной обмотки

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при изготовлении электродвигателей с беспазовой активной зоной печатными методами. Сущность изобретения заключается в том, что цилиндрическую печатную обмотку формируют из заготовки путем ее перегиба на 180^o по меньшей мере один раз. Заготовка состоит из гибкого основания, на котором сформировано требуемое число изолированных печатных проводников. Проводники формируют с чередующимися основными участками и участками уменьшенной ширины. В процессе перегибания заготовки получают трапецеидальную плату, свертывают ее в цилиндр поперек линий перегиба и осуществляют электрическое соединение окончаний печатных проводников. Изобретение позволяет исключить необходимость введения дополнительных слоев диэлектрического материала при выполнении обмотки с многократным перегибанием заготовки. Кроме того, данный процесс изготовления обмотки практически исключает появление набегающей ошибки при складывании, связанной с точностью совмещения линий перегиба с проводниковым рисунком, увеличивающейся по мере увеличения количества слоев обмотки. Наличие участков печатных проводников уменьшенной ширины практически решает данную задачу при изготовлении цилиндрической печатной обмотки, обеспечивая совмещение окончаний строго определенных печатных проводников. 3 з. п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для изготовления коллекторных и бесколлекторных якорных обмоток электродвигателей и других устройств электромеханики малой и средней мощности с беспазовой активной зоной, в частности постоянного тока с полым ротором и обращенных, а также вентильных, синхронных и асинхронных машин с гладким обмоточным слоем на статоре.

Известны печатные способы изготовления цилиндрических обмоток, основанные на формировании ряда печатных проводников на поверхности гибкой заготовки с последующим ее перегибом и свертыванием в цилиндр поперек линии перегиба, впервые описанные в [1] Дальнейшие усовершенствования таких способов [2,3] оставаясь в рамках технологий изготовления печатных плат, не позволяли достичь высокого коэффициента использования обмоточного слоя и принципиально не обеспечивали получения более чем двух уровней расположения проводников. Последнее ограничение было преодолено в способе [4] являющемся наиболее близким к объекту изобретения по совокупности существенных признаков.

Согласно этому способу, формируют заготовку, включающую требуемое число изолированных печатных проводников на поверхности гибкого основания, перегибают полученную плату на 180^о по меньшей мере один раз до получения трапецеидальной платы, свертывают последнюю в цилиндр поперек линий перегиба и осуществляют электрическое соединение окончаний проводников.

Очевидно, что годная обмотка может быть получена этим способом лишь при условии, что в результате всех трансформаций геометрии исходного проводникового рисунка (многократные перегибы и свертывание) в совмещенное положение на цилиндре придут окончания заранее заданных проводников, электрическое соединение которых только и может дать требуемую обмотку в виде замкнутой электрически непрерывной цепи, включающей все проводники без исключения. С другой стороны, при описанной конфигурации проводников в виде группы параллельных полосок одинаковой ширины неизбежна набегающая ошибка при многократном складывании, связанная с невозможностью точной привязки линий перегиба к проводниковому рисунку, причем тем большая, чем больше слоев в обмотке требуется получить. Следовательно, процент выхода годных обмоток будет мал, а требуемая технологическая оснастка сложной.

Функциональные возможности этого и подобных способов в части определяющего для таких обмоток параметра коэффициента использования обмоточного слоя резко ограничивает то, что диэлектрическая пленка, механически связывающая и электрически изолирующая проводники, используется как непрерывное основание, наложенное с одной стороны проводникового рисунка, начиная с его формирования традиционными технологическими приемами изготовления печатных плат. Поэтому, будучи сложенной вдвое проводниками наружу, такая плата оказывается с диэлектриком вдвое большей толщины, чем первоначальная. При многократном же складывании платы в многослойных и многополюсных якорях, ситуация становится крайне неблагоприятной, поскольку слои обмотки, изолированные диэлектриком двойной толщины, начинают чередоваться слоями, между которыми диэлектрик отсутствует.

Цель изобретения создание существенно более технологичного в производстве и обладающего расширенными функциональными возможностями способа.

Цель достигается тем, что в способ изготовления цилиндрической печатной обмотки, согласно которому формируют заготовку, включающую требуемое число печатных проводников на поверхности гибкого основания, перегибают полученную плату на 180^о по меньшей мере один раз до получения трапецеидальной платы, свертывают последнюю в цилиндр поперек линий перегиба и осуществляют электрическое соединение окончаний проводников, внесены следующие отличительные особенности.

Печатные проводники формируют с чередующимися основными участками и участками уменьшенной ширины, по которым и осуществляют перегиб заготовки. Поскольку линии, на которых расположены участки проводников уменьшенной ширины, являются одновременно линиями наименьшей жесткости заготовки, это позволяет полностью исключить набегающую ошибку при перегибах, линии которых самосовмещаются таким образом с проводниковым рисунком вне зависимости от точности базирования платы по отношению к технологической оснастке для сгибания. Кроме того, становится допустимым первоначальное отсутствие или разрушение в процессе сгибания электрической изоляции проводников на перегибах, поскольку зоны взаимного наложения различных проводников от линий перегиба отодвигаются. Что же касается локальных увеличений плотности тока в участках уменьшенной ширины, то они опасности не представляют, так как, вследствие относительно малой длины последних, дополнительная теплота в них эффективно отводится за счет продольной теплопроводности проводников и температура перегибов не повышается сколько-нибудь существенно против общего уровня.

В частности, участки уменьшенной ширины и соответствующие им линии перегиба так располагают по отношению к проводниковому рисунку, чтобы, по завершению формирования трапецеидальной платы, расстояние между концом первого и началом последнего проводника по основанию трапеции составляло бы величину NπD_ср+2х, где N= 0,1,2. число дополнительных по отношению к двум пар слоев обмотки; D_ср средний диаметр обмотки; Х среднее значение шага расположения окончаний. Когда такая трапецеидальная плата будет свернута в цилиндр, то начало каждого последующего проводника окажется совмещенным и электрически соединенным с концом предыдущего, а конец последнего проводника с началом первого. Таким образом получается замкнутая простая волновая обмотка, для случаев N>0 с многовитковыми секциями.

Последующие отличия касаются принципов формирования электрической изоляции в цилиндрической печатной обмотке. В различных частных случаях возможны следующие варианты решения этой технологической проблемы.

Первый вариант исходит из возможности наличия на сформированном описанным способом проводниковом рисунке обмотки свободных от изоляции полос на уровне линий перегиба. Он состоит в формировании изоляции печатных проводников до перегибания заготовки путем наложения диэлектрического материала с противоположных сторон печатных проводников, расположенных на смежных основных участках. Очевидно, что такая изоляция, независимо от числа полюсов и слоев обмотки, а также направления складывания, будет постоянной и одинарной толщины между всеми слоями, что благоприятно скажется на коэффициенте использования обмоточного слоя.

Второй вариант возможен только для двухполюсной обмотки, наиболее эффективной в якорях микромашин. Он исходит из того, что результирующий шаг перегибов исходной заготовки с печатной обмоткой по основаниям трапеции в случае, когда двойное полюсное деление обмотки соответствует длине окружности цилиндра, может несколько превышать ширину заготовки. В данном варианте изоляцию формируют в процессе перегибания заготовки путем обертывания его пленочного диэлектрического материала с двухсторонними клеящими свойствами.

Этот вариант интересен тем, что в нем, в отличие от предыдущего, не требуется применять несколько полос электроизоляционного материала с индивидуальным механическим базированием каждой из них по отношению к проводниковому рисунку, а достаточно одной полосы соответствующей ширины, самоустанавливающейся внутри плоской спирали. Если первые два варианта представляют использование диэлектрического материала в виде армированной тканью или политой адгезивом полимерной пленки, то третий вариант предусматривает работу с особо тонкими и хрупкими диэлектрическими слоями, которые имеются только в виде покрытий на поверхности металлической основы. Таковы, в частности, оксидные и фторидные пленки на ряде металлов, обладающие, при чрезвычайно малой толщине, достаточной прочностью в электрическом и механическом отношениях, что открывает принципиальную возможность получения максимально высоких значений коэффициента использования обмоточного слоя.

Данный вариант состоит в том, что изоляцию формируют до образования печатных проводников путем размещения слоя диэлектрического материала между двумя слоями гибкого металлического основания, а затем формируют печатные проводники с взаимным перекрытием их основных участков, расположенных на противоположных сторонах слоев гибкого основания. Участки уменьшенной ширины при этом чередуются с промежутками.

Сформированный таким образом проводниковый рисунок представляют собой самонесущую конструкцию, в которой все механические нагрузки приходятся на металл проводников, причем проводники одной стороны являются несущими связками между проводниками другой, и наоборот. Диэлектрическая прослойка при этом выполняет только функцию электрической изоляции и никаких механических нагрузок не воспринимает. Что же касается сгибания, то в процессе его значительной деформации подвергаются только разделенные промежутками участки уменьшенной ширины, на которых разрушение изоляции допустимо. Деформация же основных участков при свертывании трапецеидальной платы в цилиндр за счет большого на практике отношения радиуса изгиба к толщине обмотки настолько мала, что опасности не представляет.

Особый практический интерес в последнем варианте представляет случай формирования проводникового рисунка путем двухстороннего размерного травления (химического или электрохимического) через взаимно совмещенные маскирующие рисунки (нанесенные путем офсетной или фотопечати) заготовок в виде двух листов анодированного алюминия, склеенных между собой через пропитывающую оксидный слой тонкую клеевую прослойку. Сочетание алюминий-анодный оксид является оптимальным для подавляющего большинства практических случаев, поскольку алюминий при его дешевизне и относительно высокой электропроводности обладает малой плотностью, позволяющей значительно улучшить электромеханическую постоянную двигателя по сравнению с медью, а анодное окисление дает не только прочные, но и пористые изолирующие слои, позволяющие эффективно соединить их между собой тончайшими клеевыми прослойками, проникающими в объем пор. По энергетическим показателям электродвигатель с алюминиевой обмоткой, выполненной данным способом, не будет уступать аналогу с печатной или проволочной медной обмоткой, если доли металла в поперечных сечениях медной и алюминиевой обмоток отличаются не менее, чем в 1,5 раза, что в большинстве случаев вполне реально.

На фиг.1-4 показан пример простейшей двухполюсной обмотки, состоящей из 11 одновитковых секций с изоляцией, выполненной по первому варианту: на фиг. 1 проводниковый рисунок заготовки с вынесенными сечениями частей, расположенных по разные стороны от линии сгиба; на фиг.2 трансформация заготовки в трапецеидальную плату в результате перегиба; на фиг.3 развернутая схема обмотки, получившейся в результате свертывания трапецеидальной платы в цилиндр, условно разрезанная по первому выводу; на фиг.4 вид на торец этого цилиндра со стороны выводов в зоне стыка краев трапецеидальной платы; на фиг.5-6 показан переход к многовитковым секциям в подобной по всем остальным параметрам обмотке; на фиг.5 условно разорванная трапецеидальная плата; на фиг.6 вид на торец цилиндра в случае одного промежуточного витка платы, дающего четырехслойную двухполюсную обмотку. Исходная заготовка данной обмотки, являющаяся прямым продолжением изображенной на фиг.1, в силу своей очевидности не показана.

На фиг.7 показан пример второго варианта выполнения электрической изоляции и проставлены рекомендуемые геометрические соотношения. Условные обозначения: D_в, D_ср, D_н внутренний, средний и наружный диаметры обмотки соответственно; N число дополнительных пар слоев; Х среднее значение шага; на фиг.8-10 показана реализация простейший многополюсной (в частности, четырехполюсной) обмотки с изоляцией по первому варианту, которая при тех же исходных данных и принципах соединения выводов в результате трех перегибов по линиям аb, сd и еf автоматически становится четырехслойной; на фиг.8 исходная заготовка; на фиг.9 трапецеидальная плата; на фиг.10 развернутая схема получившейся обмотки.

Фиг. 11 детально изображает фрагмент проводникового рисунка заготовки с третьим вариантом изоляции тончайшей диэлектрической пленкой и состоит из вида в плане и трех вынесенных сечений: крайние по основным участкам, и среднее по участкам уменьшенной ширины, дающим линию механического ослабления в необходимом месте сгиба.

Номера проводников на сечениях дают возможность установить соответствие между данным вариантом проводникового рисунка и предыдущими, которые являются эквивалентными по схеме. Конфигурация и взаиморасположение проводников в различных слоях прослеживаются на виде в плане, в левой части которого показаны оба слоя, а в правой только верхний слой.

При всех вариантах выполнения изоляции фактические границы проводникового рисунка могут несколько отличаться от параллелограмма, приближаясь к трапеции, с учетом возрастания длин окружностей при переходе от внутреннего к внешнему слоям обмотки.

Поскольку сделанные комментарии к фигурам являются достаточными для понимания смысла изображенного, в дальнейших примерах конкретного осуществления способа выделены ключевые моменты в различных последовательностях технологических операций и видах исходной заготовки, позволяющие получить различные в конструктивном отношении варианты печатных обмоток.

П р и м е р 1. Изготовление обмотки с алюмомедными проводниками, изолированными по первому варианту. В качестве исходной заготовки берут алюминиевую фольгу, с обеих сторон которой методами офсетной или фотопечи формируют взаимно совмещенные защитные маски из гальваностойкого резиста, закрывающие промежутки между проводниками. Обработав заготовку в одном из растворов для подготовки поверхности алюминия к гальванопокрытиям, с обеих ее сторон гальванически осаждают медь, которая, благодаря защитным маскам, ложится строго по заданному контуру проводникового рисунка. Затем не нужный далее резист удаляют.

Выполненную таким образом биметаллическую заготовку помещают между двумя технологическими листами, на каждом из которых с взаимным базированием закреплены ленты из диэлектрического материала с односторонними клеящими свойствами клеевыми сторонами наружу. Сгруппировав из чередующихся заготовок и технологических листов с изоляцией пакет заданной толщины, его прессуют под давлением и с температурой, обеспечивающими режим склеивания.

Полученную плату, с обеих сторон которой на уровне основных участков проводников в процессе прессования закреплены ленты изоляции, обрабатывают в растворе для селективного травления алюминия по отношению к меди, в результате чего не защищенные медью и диэлектриком участки алюминия между проводниками удаляются на всю толщину, обеспечивая взаимную электрическую изоляцию проводников. После травления и промывки плату обрабатывают в растворе для пассивации алюминия, открывшегося на краях проводников. Затем полученную плату перегибают требуемое число раз и формуют в цилиндрический якорь путем обертывания оправки соответствующего диаметра, обжатия и термофиксации с нагревом до температуры начала размягчения диэлектрика и медленным охлаждением. Механическую прочность готовому якорю придают, например, путем капиллярной пропитки высокотекучим компаундом, проникающим по щелевым зазорам между проводниками по все свободные промежутки между слоями. Электрические соединения выводов осуществляют пайкой с нейтральным флюсом по медной поверхности проводников.

П р и м е р 2. Изготовление обмотки с медными проводниками, изолированными по второму варианту. Обмотку такого рода целесообразно изготавливать гальванопластическим способом, для чего в качестве исходной заготовки берут гибкий стальной лист, используемый далее в качестве технологической матрицы. На первом этапе химическим фрезерованием осуществляют подготовку матрицы, заключающуюся в ее разделении сквозными разрезами на участки в форме параллелограмма, соединенные технологическими связками с полем матрицы. При повышенных требованиях к точности предусматривают также надрезы половинной глубины для дополнительного механического ослабления сгибов, получающиеся за счет одностороннего травления.

На поверхности подготовленной матрицы известными методами наносят гальваностойкий резист и формируют с одной из сторон совмещенный с разделительными линиями рисунок промежутков между проводниками, а другу сторону, за исключением рисунка ленточных выводов и контактных площадок, полностью маскируют. Затем с обеих сторон гальванически осаждают медь необходимой толщины и удаляют резист. Полученные стальные заготовки в форме параллелограмма с односторонним проводниковым рисунком, оканчивающимся, с одной стороны ленточными выводами, а с другой контактными площадками, продублированными медью с двух сторон, по технологическим связкам выделяют из матрицы.

Для формирования трапецеидальной платы на полученную заготовку со стороны проводимого рисунка помещают ленту из двухсторонне-клеящей электрической изоляции (в частности, тонкого стеклоэпоксидного препрега) и спиралеобразно обертывают ее заготовкой, сгибая последнюю по линиям механического ослабления. Затем полученные спирали спрессовывают между плоскопараллельными плитами при соответствующих давлении и температуре.

Матрицы удаляют химическим травлением спрессованных плат в растворе, селективно действующем на сталь. В тех местах, где матрица была защищена медью с двух сторон у окончаний проводников, остаются стальные фрагменты, являющиеся несущим сердечником внешних выводов в виде лент и площадок, необходимым для повышения их жесткости и электропроводности. Цилиндрическую обмотку из полученных таким образом трапецеидальных плат формируют аналогично описанному ранее, за исключением введения при обертывании дополнительной электроизоляционной ленты, разделяющей открытые с обеих сторон плат проводники. В конечном итоге, как и в предыдущем случае, любые смежные уровни расположения проводников в обмотке оказываются разделенными ровно одним слоем электрической изоляции. Важным преимуществом введения дополнительной ленты с двухсторонними клеящими свойствами при формировании цилиндра является возможность обеспечения с ее помощью необходимой механической прочности якоря непосредственно после его опрессовки и термофиксации без каких-либо пропиток.

П р и м е р 3. Изготовление обмотки с алюминиевыми проводниками, изолированными по третьему варианту.

Анодирование алюминиевой фольги или листа проводят в одном из электролитов, обеспечивающих высокие электроизоляционные свойства покрытия (например, в серно- или щавелевокислом). Затем, не закрывая пор, на одну из анодированных сторон листа протяжкой между валками, нижний из которых погружен в ванну с раствором клеевой композиции, наносят полимерный клей, проникающий в поры покрытия. После сушки клея листы попарно складывают клеем навстречу друг другу и прессуют между плоскопараллельными плитами под давлением и с температурой по режиму склеивания. Все данные операции при крупносерийном производстве проводят на непрерывных лентах, последовательно транспортируемых через автоматизированные установки рулонного типа, а прессование заменяют протяжкой двух лент между нагретыми валками.

Затем с обеих сторон заготовки, содержащей пару анодированных алюминиевых листов и тонкую прослойку полимерного клея, известными методами наносят химически стойкий резист по контуру проводниковых рисунков, сдвинутых один по отношению к другому на половину шага расположения проводников в каждом слое. После нанесения резиста алюминий вместе с открытым внешним окислом травят на всю толщину.

Резист на проводниках целесообразно сохранять в качестве дополнительного защитного покрытия, уменьшающего контактные напряжения в процессе опрессовки цилиндрической обмотки, которые могли бы нарушить целостность оксидного слоя. С целью исключения дополнительной пропитки, рекомендуемым вариантом является использование в качестве резиста полимерного слоя, способного к размягчению и взаимному склеиванию в процессе термофиксации обмотки.

Каких-либо иных особенностей складывание и формовка обмотки, изолированной по третьему варианту, не имеют. Алюминиевые ленточные выводы такой обмотки после химического удаления с них резиста и окисла соединяют между собой и с коллекторными пластинами путем конденсаторной сварки, пайки или термоосадки с обязательной защитой мест соединения влагозащитным компаундом.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ПЕЧАТНОЙ ОБМОТКИ, согласно которому формируют заготовку, включающую требуемое число изолированных печатных проводников на поверхности гибкого основания, перегибают заготовку на 180^o по меньшей мере один раз до получения трапецеидальной платы, свертывают плату в цилиндр поперек линий перегиба и осуществляют электрическое соединение окончаний печатных проводников, отличающийся тем, что печатные проводники формируют с периодически повторяющимися основными участками и участками уменьшенной ширины, по которым и осуществляют перегибы заготовок для получения платы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что изоляцию печатных проводников формируют до перегибания заготовки и путем наложения диэлектрического материала с противоположных сторон печатных проводников на их смежных основных участках.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что изоляцию печатных проводников формируют в процессе перегибания заготовки путем обертывания ею пленочного диэлектрического материала с двусторонними клеящими свойствами.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что изоляцию формируют до формирования печатных проводников путем размещения слоя диэлектрического материала между двумя слоями гибкого металлического основания, а затем формируют печатные проводники с взаимным перекрытием их основных участков, образованных на противоположных сторонах слоев гибкого металлического основания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11