Способ изолировки пазов магнитных сердечников якорей электродвигателей



Способ изолировки пазов магнитных сердечников якорей электродвигателей
Способ изолировки пазов магнитных сердечников якорей электродвигателей
Способ изолировки пазов магнитных сердечников якорей электродвигателей
Способ изолировки пазов магнитных сердечников якорей электродвигателей
Способ изолировки пазов магнитных сердечников якорей электродвигателей

 


Владельцы патента RU 2593825:

Федеральное Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (RU)

Изобретение относится к электротехнике, в частности к способам изолировки пазов якорей электродвигателей. Способ изолировки пазов магнитных сердечников якорей микродвигателей заключается в том, что в электрофоретический состав дополнительно вводят 4÷6 об.% белых нанотрубок из нитрида бора. Размер нанотрубок выбирают в диапазоне 10-20 нм. После введения в состав нанотрубок состав перемешивают и в указанном составе проводят анафоретическое осаждение диэлектрической пленки на поверхность пазов, после чего магнитный сердечник извлекают из электрофоретического состава, освобождают его от герметичного диэлектрического кожуха, помещают магнитные сердечники в вакуумный термошкаф, создают в нем разрежение 30÷40 Торр и при температуре 40÷50°C сушат осажденную на поверхность пазов пленку в течение 3÷5 мин, затем повышают температуру в термошкафу до 380÷390°C и запекают диэлектрическую пленку в течение 2-3 мин. Техническим результатом является повышение теплопроводности пленок в среднем в 2÷2,6 раза, а среднего пробивного напряжения - на 20%. 1 табл., 3 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к способам изолировки пазов якорей электрических машин.

Известен способ изолировки магнитных сердечников якорей, включающий в себя три основных процесса: 1) изолировку пазов; 2) изолировку вала; 3) изолировку лобовых частей стали якоря [1]. В соответствии с указанным способом для изолировки пазов предварительно осуществляется нарезка пазовой изоляции (коробочек). Нарезка пазовой изоляции (коробочек) производится с таким расчетом, чтобы вставленная в пазы якоря изоляция выступала за пределы стали на 1-2 мм в каждую сторону. Вложенные в пазы изоляционные коробочки обжимаются на месте при помощи деревянных оправок, после чего стороны их плотно прилегают к стенкам пазов. Этим устраняется возможность порвать коробочки, в особенности на углах, при осаживании обмотки клиньями.

Для изолировки задней стороны вала со стороны, противоположной коллектору, где с ним может соприкасаться обмотка, на вал надевается изоляционная трубка из бакелизированной бумаги. Вал со стороны коллектора должен быть изолирован двумя-тремя слоями лакоткани.

Для защиты лобовых частей обмотки их закрепляют при помощи куска батиста. Батист надевают на вал, обертывают вокруг него и закрепляют шнуром. По окончании намотки якоря концами батиста обертывают лобовые части обмотки и укладывают их в пазы под клинья, которыми крепится обмотка.

Недостаток такого способа изготовления пазовой изоляции магнитных сердечников якорей электродвигателей заключается в том, что при укладки коробов в пазы, и последующего размещения в них обмотки электродвигателя, между обмоткой, корпусной изоляцией и магнитным сердечником образуются два воздушных зазора: один - между обмоткой и пазовой изоляцией, а другой - между пазовой изоляцией и магнитным сердечником, что ухудшает теплоотвод из обмотки в магнитный сердечник. Толщина материала, из которого изготавливается пазовый короб, относительно велика, что приводит к неэффективному использованию пазов, и, как следствие, к снижению коэффициента заполнения паза проводом, к снижению мощности электродвигателей и повышению их габаритов. Кроме того, производительность указанного способа изолировки пазов низка, из-за необходимости последовательного размещения в каждый паз обмотки короба пазовой изоляции, и из-за невозможности группового изолирования пазов одновременно у нескольких обмоток. Низкая производительность обусловлена также тем, что все операции изолировки якорей электрических двигателей малой мощности приходится осуществлять вручную, что обусловлено маленькими размерами пазов якорей указанных машин. К снижению производительности приводит также тот факт, что изолировку пазов, изолировку вала и изолировку лобовых частей стали якоря производят не одновременно, а последовательно.

Известен способ изготовления пазовой изоляции магнитных сердечников статоров напылением из порошка эпоксидной смолы для изоляции классов нагревостойкости В и F или полиамидэфирных порошков для изоляции класса Н [2].

Способ заключается в том, что холодный магнитный сердечник погружают в слой порошка эпоксидной смолы или полиамидэфирных порошков, находящегося под воздействием разряда тока высокого напряжения. Частицы полимера заряжаются, и под действием электрических сил перемещается к противоположно заряженному изделию - магнитному сердечнику и осаждаются на его поверхности. Магнитный сердечник извлекают из камеры напыления и удаляют напыленный порошок со всей поверхности магнитного сердечника, кроме пазов. Оставшийся в пазах порошок подвергают высокотемпературному воздействию, при котором происходит оплавление полимера и образуется изоляционное покрытие. После оплавления порошка магнитный сердечник охлаждают и вновь помещают в слой порошка эпоксидной смолы. Процесс изолировки пазов заканчивают после 7-8 таких циклов.

Недостатком способа является необходимость использования высокого напряжения для зажигания электрического разряда в порошке. Кроме того, напыление указанным способом происходит не только в пазы статора, но и на все остальные части магнитного сердечника, что приводит к необходимости извлекать магнитный сердечник из порошка и удалять его излишки с поверхностей магнитного сердечника, оставляя его только в пазах магнитного сердечника. Это приводит к неоправданно высоким затратам напыляемого порошка, и к повышению трудоемкости операции изолировки, из-за необходимости введения дополнительной операции-очистки напыленного порошка с поверхности магнитного сердечника. Так как за один цикл на поверхность паза осаждается тонкий слой порошка, который после его оплавления не позволяет получать требуемую для пазовой изоляции электрическую прочность, то этот цикл приходится повторять 7-8 раз. За счет этого процесс изолировки пазов одного магнитного сердечника малопроизводителен, так как длится в течение 3-4 часов. Кроме того, напыленная многослойная пазовая изоляция из порошка весьма хрупкая, что, как правило, исключает возможность механизированной намотки обмоток и их приходится укладывать в пазы вручную.

Наиболее близким к заявляемому является способ описанный в [3].

В способе-прототипе магнитный сердечник якоря размещают по центру эластичного цилиндрического диэлектрического стакана, герметически охватывающего наружную поверхность магнитного сердечника якоря, устанавливают два электрода на расстоянии 20-30 мм от торцов магнитного сердечника якоря, заливают в упомянутый стакан электрофоретический состав, при следующих отношениях компонентов электрофоретического состава (в мл/л):

лак ПЭ-939 марки В - (510÷255),

1% нашатырный спирт - 1% NH4OH - (130÷190),

этилцеллозольв - C4H10O2 - (120÷175),

диоксан (С4Н8О2) - остальное,

подают на магнитный сердечник положительный потенциал от источника постоянного напряжения, а на электроды подают отрицательный потенциал от упомянутого источника постоянного напряжения, и при плотностях тока, лежащих в диапазоне 2-10 мА/см2 проводят электрофоретическое осаждение пленкообразующего вещества в пазы, на торцевые поверхности и вал магнитного сердечника якоря в течение времени, определяемого из выражения , где с - плотность эмали, кг/м3, d - толщина пазовой изоляции, м, k - выход сухого остатка по току, кг/(А×с), причем в процессе электрофоретического осаждения пленкообразующего вещества напротив каждого паза с торцевой части магнитного сердечника якоря создают непрерывное вращательное движение электрофоретического состава, для чего помещают напротив каждого паза прямоугольные постоянные магниты, торцы которых удалены от торца магнитного сердечника на 5-10 мм, затем после истечения времени t магнитный сердечник якоря извлекают из электрофоретического состава и осажденную на поверхность магнитного сердечника якоря пленку подвергают термообработке в течение 4-5 минут при температуре 380-390°C.

Недостатком способа-прототипа является то, что осажденная на поверхности пазов пленка, имеет относительно низкую теплопроводность. Это затрудняет теплоотвод из роторной обмотки электрической машины в магнитный сердечник и в окружающую среду в процессе работы электродвигателя, что приводит к повышенному перегреву обмотки, и, в конечном итоге, к снижению надежности и долговечности электродвигателя.

Кроме того, пленка, осажденная по способу-прототипу на поверхность пазов статора, содержит в себе растворитель, поэтому при ее термообработке при температурах 380-390°C происходит вскипание растворителя и его интенсивный выход из пленки, что приводит к нарушению ее однородности, к появлению на ней пор и других дефектов, что снижает ее электрическую прочность, и, как следствие этого, надежность и долговечность двигателя.

Техническая задача, на которую направлено настоящее изобретение, состоит в повышении теплопроводности пазовой изоляции и ее качества.

Задача решается тем, что в способе изолировки пазов магнитных сердечников якорей микродвигателей, при котором магнитный сердечник якоря размещают по центру эластичного цилиндрического диэлектрического стакана, герметически охватывающего наружную поверхность магнитного сердечника якоря, устанавливают два электрода на расстоянии 20-30 мм от торцов магнитного сердечника якоря, заливают в упомянутый стакан электрофоретический состав при следующих отношениях компонентов электрофоретического состава (в объемных %):

лак ПЭ-939 марки В - (51,0÷25,5),

1% нашатырный спирт - 1% NH4OH - (13,0÷19,0),

этилцеллозольв - C4H10O2 - (12,0÷17,5),

диоксан (С4Н8О2) - остальное,

подают на магнитный сердечник, положительный потенциал от источника постоянного напряжения, а на электроды подают отрицательный потенциал от упомянутого источника постоянного напряжения, и при плотностях тока, лежащих в диапазоне 2-10 мА/см2 проводят электрофоретическое осаждение пленкообразующего вещества в пазы, на торцевые поверхности и вал магнитного сердечника якоря в течение времени, определяемого из выражения , где с - плотность эмали, кг/м3, d - толщина пазовой изоляции, м, k - выход сухого остатка по току, кг/(А×с), причем в процессе электрофоретического осаждения пленкообразующего напротив каждого паза с торцевой части магнитного сердечника якоря создают непрерывное вращательное движение электрофоретического состава, для чего помещают напротив каждого паза прямоугольные постоянные магниты, торцы которых удалены от торца магнитного сердечника на 5-10 мм, затем после истечения времени t магнитный сердечник якоря извлекают из электрофоретического состава и осажденную на поверхность магнитного сердечника якоря пленку подвергают термообработке, дополнительно в электрофоретический состав вводят 4÷6 объемных процента белых нанотрубок из нитрида бора, размер зерна которых не превышает 10÷20 нм, тщательно перемешивают состав до получения однородной массы и в указанном составе проводят анафоретическое осаждение диэлектрической пленки на поверхность пазов, после чего магнитный сердечник извлекают из электрофоретического состава, освобождают его от герметичного диэлектрического кожуха, помещают магнитные сердечники в вакуумный термошкаф, создают в нем разрежение 30÷40 Торр и при температуре 40÷50°C сушат осажденную на поверхность пазов пленку в течение 3÷5 минут, затем повышают температуру в термошкафу до 380÷390°C и запекают диэлектрическую пленку в течение 2-3 минут.

На фиг. 1 представлена схема реализации заявляемого способа. На фиг. 2 схематически изображен торец магнитного сердечника в диэлектрическом стакане. На фиг. 3 схематически изображен магнитодержатель. Фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3 служат для пояснения сущности изобретения.

На фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3 введены следующие обозначения:

1 - магнитный сердечник; 2 - пазы; 3 - вал; 4 - торец магнитного сердечника; 5 - диэлектрический стакан; 6 - нижний электрод; 7 - диэлектрическая втулка; 8 - верхний электрод-фланец; 9 - постоянные прямоугольные магниты; 10 - держатель магнитов, 11 - отверстие в верхнем электроде-фланце; 12 - гофры для закрепления держателя магнитов; 13 - источник постоянного напряжения; 14 - амперметр.

На фиг. 2 и фиг. 3 введены те же обозначения, что и на фиг. 1, кроме позиции 15 на фиг. 3, которой обозначены выступы на внутренней поверхности магнитодержателя, в прорезях которых закреплены постоянные прямоугольные магниты 9.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Изоляция обмоток электрической машины является одним из наиболее важных ее элементов. Она должна обладать одновременно целым комплексом свойств: теплостойкостью, нагревостойкостью, высокой электрической и механической прочностью, стойкостью к воздействию пропиточных составов, технологичностью.

В процессе изготовления изоляционных конструкций, изолировки обмоток и укладки их в пазы изоляционный материал может подвергаться резке, гибке, формовке, склеиванию, запечке, пропитке и т.п. При этом материал не должен рваться, растрескиваться, расслаиваться, утоняться, терять свою механическую и электрическую прочность.

Наиболее распространенным в настоящее время способом изолировки пазов магнитных сердечников статоров электрических машин является способ, при котором в пазы укладывают изготовленные из изоляционной пленки пазовые короба. Такой способ позволяет механизировать процесс изолировки, но имеет ряд недостатков, указанных выше. Этот способ, обычно применяется для крупногабаритных статоров. В микродвигателях, у которых размер шлица паза приближается к миллиметру, а в короткозамкнутых якорях, у которых шлицы вообще отсутствуют, процесс изолировки лентой весьма затруднен, поэтому изолировку таких электродвигателей осуществляют вручную, что приводит к низкой производительности труда.

Наилучший способ изготовления пазовой изоляции электроосаждением, который описан в прототипе.

Электроосаждение как метод получения лакокрасочных покрытий нашел промышленное применение примерно в середине 60-х годов. Быстрое распространение этого метода связано с целым рядом достоинств, из которых наиболее существенными являются:

а) высокая равномерность получаемых покрытий по толщине и ее относительная независимость от конфигурации и габаритов изделия;

б) более высокая коррозионная стойкость осаждаемых пленок по сравнению с пленками, полученными традиционным способом;

с) высокая экономичность при достаточно большой производительности;

д) возможность регулирования толщины пленок с помощью изменения плотности тока или потенциала;

е) быстрота роста покрытий;

ж) возможность автоматизации технологического процесса и проведение его при обычных условиях (комнатной температуре и нормальном давлении).

Электрохимические полимерные покрытия - одно из направлений современного развития лакокрасочной технологии.

Практическое применение электрохимических полимерных покрытий сдерживается недостаточной изученностью процессов формирования пленки на подложке.

Методика нанесения эмальизоляции состоит в следующем. В ванну с электрофоретическим составом погружается изделие, к которому подведен один из полюсов источника постоянного тока. Под действием постоянного электрического поля в среде с высокой диэлектрической проницаемостью осуществляется перенос ионов или ионизированных мицелл пленкообразователя в направлении приложенного поля (к изделию). Осаждение пленкообразующего материала начинается на острых кромках и выступах изделия, плотность заряда на которых наиболее высока. По мере увеличения осажденного слоя происходит перераспределение силовых линий поля, и пленка равномерной толщины покрывает все изделие.

Выход осадка зависит от продолжительности электроосаждения и от количества поглощенного электричества и лимитируется электрическим сопротивлением полученного слоя. По мере нарастания толщины покрытия она вначале возрастает линейно от времени осаждения, затем, при достижении некоторой критической толщины пленки, зависящей от свойств состава, происходит уменьшение плотности тока и снижение скорости электроосаждения. Поэтому электроосаждение можно рассматривать как процесс с саморегулирующимися значениями толщины и сплошности покрытий.

Полиион пленкообразующего в составе должен нести заряд, противоположный по знаку заряду изделия. В соответствии с этим различают электроосаждение на аноде, или анодное осаждение (анафорез), и электроосаждение на катоде, или катодное осаждение (катафорез).

Основное достоинство электрофоретического эмалирования проводов, по сравнению с традиционными методами эмалирования - возможность наложения равномерной изоляции необходимой толщины за один цикл, в том числе и на острых углах изделий, поскольку толщина наносимого покрытия легко регулируется изменением подаваемого на электроды напряжения и времени электроосаждения.

Основными характеристиками электрофоретических систем являются: рассеивающая способность, условный выход по току, удельная электропроводность.

Под рассеивающей способностью понимают свойство лакокрасочного материала проникать в труднодоступные места изделий и образовывать равномерные по толщине покрытия. Рассеивающая способность зависит от режима электроосаждения и от состава материала (пленкообразующего, растворителя, электролита и др.).

Условный выход по току показывает, сколько лакокрасочного материала осаждается на поверхности изделия при протекании определенного количества электричества. Этот показатель важен для оценки энергозатрат.

Удельная электропроводность - величина, показывающая способность лакокрасочного материала проводить электрический ток. Она зависит от природы пленкообразующего, pH (кислотности) и температуры состава. Поскольку единой теории электрофореза нет, то поиск составов, обладающих электрофоретическими свойствами, и отработка режимов электрофореза осуществляется экспериментально.

Для изоляции проводов электродвигателей по нагревостойкости соответствующей классу F (155°C) или классу Н (180°C) используют наиболее распространенный в отечественной кабельной промышленности лак электроизоляционный ПЭ-939 ТУ 16-504.026-74.

В исходном состоянии лак ПЭ-939 не обладает электрофоретическими свойствами, и его наносят на поверхность движущейся проволоки последовательными слоями, пропуская проволоку через узел нанесения эмали и калибры, соответствующего диаметра. Каждый слой нанесенной эмалевой пленки подвергают тепловому воздействию, в процессе которого пленку отверждают.

На наш взгляд, целесообразно для изолировки пазов магнитных сердечников статоров электродвигателей класса F (155°C) или класса Н (180°C) применять тот же лак ПЭ-939, который используют для эмалирования проводов, так как в этом случае тепловые такие характеристики, как, например, коэффициент теплового расширения, у проводов и корпусной изоляции будут одинаковы, что должно привести к повышению надежности изоляции электродвигателя. Лак ПЭ-939 выпускают трех марок А, Б и В, отличающихся по вязкости, которая определяется количеством пленкообразующего в нем. Наиболее вязким является лак ПЭ-939 марки В.

Выявление в прототипе оптимального компонентного соотношения в электрофоретическом составе осуществляли экспериментальным путем, с применением теории планирования эксперимента. Было выявлено, что процесс электроосаждения эмальизоляции можно реализовать при следующих отношениях компонентов электрофоретического состава (в мл/л):

лак ПЭ-939 марки В - (510÷255),

1% нашатырный спирт - 1% NH4OH - (130÷190),

этилцеллозольв - С4Н10О2 - (120÷175),

диоксан (С4Н8О2) - остальное.

Электрофоретическое осаждение пленкообразующего вещества происходит при всех указанных соотношениях компонентов. Выход концентрации компонентов электрофоретического состава за указанные диапазоны приводит к снижению качественных показателей эмальизоляции (равномерность пленки, электрическая и механическая прочность и др.).

При указанном соотношении компонентов электрофоретического состава величина получаемой толщины электрофоретической пленки зависит от плотности тока электрофореза и времени проведения электроосаждения. Было установлено, что качественные пленки получаются в диапазоне плотностей тока от 2 мА/см2 до 10 мА/см2. При плотностях тока с величиной меньше 2 мА/см2 пленка становится рыхлой, и качество эмальизоляции ухудшается. Увеличение плотностей тока за 10 мА/см2 приводит к повышенному растворению материала проволоки, к дефектообразованию в осажденной пленке, что также ухудшает качество эмальизоляции.

Время проведения электроосаждения пленкообразующего зависит от плотности тока и требуемой толщины пленки. Рассмотрим процесс нанесения эмальизоляции более подробно.

Масса m пленкообразующего вещества, осевшая на металлическую основу прямо пропорциональна прошедшему через электрофоретический состав заряду q: m=kq (1).

В свою очередь, q=J×t (2), где k - выход сухого остатка пленкообразующего по току, кг/(А×с), ток электрофореза J, А; и t - время электрофореза, с.

Подставив в формулу (1) выражение (2), получим: m=kJt (3).

Выразим ток J через произведение плотности тока j на площадь S части поверхности проволоки, погруженной в электрофоретический состав:

J=jS (4), где S - площадь магнитного сердечника, на которую осаждают пленку, м2.

Подставив выражение (4) в выражение (3), получим: m=kSjt . (5)

С другой стороны, массу m эмалевой пленки площади S магнитного сердечника можно определить по формуле: m=cV=cSd (6), где с - плотность эмали, кг/м3; d - толщина эмалевой изоляции, м, V - объем изоляционной пленки. Приравняв правые части выражений (4) и (6) друг к другу и преобразовав полученное выражение относительно времени электрофореза t, получим: (7).

Для лучшего проникновения электрофоретического состава в пазы якоря, напротив каждого паза с торцевой части магнитного сердечника якоря создают непрерывное вращательное движение электрофоретического состава, для чего помещают напротив каждого паза прямоугольные постоянные магниты, торцы которых удалены от поверхности пазов на 5-10 мм. Непрерывное вращательное движение электропроводящей жидкости при обтекании углов прямоугольного магнита электрическим током в жидкости обнаружено Николаевым Г.В и описано в работе [4]. Электрофоретический состав является электропроводящей жидкостью, а процесс электроосаждения сопровождается протеканием тока в жидкости. Установление постоянных прямоугольных магнитов 9 (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3) напротив каждого из пазов якоря не только способствует лучшему перемешиванию состава и проникновению пленкообразующего в пазы магнитного сердечника, но и создает дополнительные положительные эффекты: повышает выход пленкообразующего по току, что приводит к ускорению процесса изолировки магнитного сердечника, и, кроме того, осажденная в магнитном поле изоляционная плена на поверхность магнитного сердечника имеет более высокую механическую и электрическую прочность, чем пленка той же толщины из того же состава, осажденная на поверхность магнитного сердечника в тех же режимах, но без воздействия на процесс электроосаждения магнитным полем. Выбор расстояния торцов магнитов от торца магнитного сердечника (10-20) мм обусловлен следующими обстоятельствами. Расстояние менее 10 мм достаточно трудно обеспечить при сборке устройства из-за разброса размеров магнитов и оснастки устройства. Кроме того, при расстояниях меньше 10 мм резко снижается рассеивающая способность электрофоретического состава, что ухудшает качество осаждаемых на поверхность пазов пленок. При расстоянии более 20 мм снижается эффективность применения магнитов.

Однако теплопроводность электрофоретических пленок, осаждаемых на поверхность пазов по способу-прототипу, низка и составляет величину λ=0,2 Вт/м×К. Низкая теплопроводность пазовой изоляции, роль которой в прототипе выполняет электоосажденная на поверхность пазов диэлектрическая пленка, создает высокое тепловое сопротивление на границе обмотка - магнитный сердечник, который, помимо прочего, выполняет роль радиатора, служащего для теплоотвода из обмотки. Высокое тепловое сопротивление корпусной изоляции приводит к тому, что в процессе эксплуатации электрической машины тепло из обмотки в магнитный сердечник якоря и в окружающую среду отводится плохо, что вызывает повышенные температурные нагрузки на витковую изоляцию обмотки, и, как следствие этого, приводит возрастанию вероятности отказа обмотки, к снижению ее надежности и долговечности.

В заявляемом способе в электрофоретический состав, приведенный в прототипе, дополнительно вводят 4÷6 объемных процента белых нанотрубок из нитрида бора. Выбор белых нанотрубок из нитрида бора в качестве наполнителя обусловлен тем, что указанный материал обладает уникальными свойствами. С одной стороны, он является диэлектриком с объемным сопротивлением порядка (1015÷1016) Ом×м, так как ширина запрещенной зоны у этого материала составляет около 6 эВ. С другой стороны, он обладает рекордно высокой теплопроводностью, на 4 порядка превышающую теплопроводность материала корпусной изоляции и составляет величину λ=3000 Вт/м×К [4, 5].

Дополнительное введение в электрофоретический состав 4÷6 объемных процента белых нанотрубок из нитрида бора оказывает незначительное влияние на электрофоретические свойства состава, но в значительной мере повышает теплопроводность осажденных на поверхность пазов диэлектрических пленок, не влияя на их электроизоляционные свойства.

Выбор диапазона объемного содержания в составе наполнителя из белых нанотрубок нитрида бора был обусловлен следующими соображениями. При концентрации белых нанотрубок нитрида бора ниже, чем 4 объемных процента, снижается теплопроводность электрофоретически осажденных пленок, а при концентрациях выше 6 объемных процента резко снижается рассеивающая способность электрофоретического состава.

Выбор размера частиц зерен нанотрубок в диапазоне 10÷20 нм обусловлен следующим. Получение нанотрубок размером менее 10 нм затруднено. При размере нанотрубок более 20 нм, могут образовываться на поверхности пазов шероховатости, снижающие качество изоляционных пленок.

Для обоснования выбора указанного диапазона концентрации нанотрубок из нитрида бора были проведены эксперименты. Сущность этих экспериментов заключалась в следующем. Две пластины из электротехнической стали марки 2013, которая применяется для изготовления магнитных сердечников якорей электродвигателей, толщина которых была равна 1 мм, а размеры 15×50 мм, устанавливались плоскостями параллельно друг другу на расстоянии 20 мм и закреплялись в диэлектрической крышке и к ним подключалось постоянное напряжение. После этого пластины погружались в сосуд, наполненный электрофоретическим составом, состоящим из следующих компонентов, в объемных %:

лак ПЭ-939 марки В - (51,0÷25,5),

1% нашатырный спирт - 1% NH4OH - (13,0÷19,0),

этилцеллозольв - C4H10O2 - (12,0÷17,5),

диоксан (С4Н8О2) - остальное.

В состав всыпали порошок нанотрубок из нитрида бора и от опыта к опыту последовательно увеличивали его концентрацию от 1 до 8 объемных процентов. После введения в электрофоретический состав белых нанотрубок из нитрида бора состав тщательно перемешивали, для равномерного распределения порошка нанотрубок по объему электрофоретического состава. Осаждение пленок на пластину-анод осуществляли при плотности тока j=6 мА/см2 в течение одинакового времени равного t=150 с. При каждой фиксированной концентрации белых нанотрубок в электрофоретическом составе осаждение вели не менее чем на 4 образцах пластин. После электрофоретического осаждения пленок их извлекали из электрофоретического состава и подвергали термообработке: две из 4 пластин сушили как в прототипе в течение (4÷5) минут при температуре (380÷390)°C, а две других - по заявляемому способу в вакуумном термошкафу, где создавали разрежение (30÷40) Торр и при температуре (40÷50)°C сушили осажденную на поверхность пластин пленку в течение 3÷5 минут. Затем повышали температуру в термошкафу до (380÷390)°C и запекали диэлектрическую пленку в течение 2-3 минут. Исследования теплопроводности электрофоретически осажденных пленок проводили на приборе LFA447 при температуре 25°C. Экспериментально определяемой характеристикой тепловых свойств пленок являлась их температуропроводность, используя которую определяли теплопроводность пленок. Измерение температуропроводности было основано на методе вспышки. Данный метод удовлетворял требованиям ГОСТ 8.140.-82 и ГОСТ 8.141-75. Высохшие пленки подвергались пробою постоянным напряжением, при использовании универсальной пробивной установки УПУ-10. Пробой осуществляли путем подвода 5 мм шарика-электрода к пленке и подачи на него напряжения от УПУ-10. При этом пластина, на которую была осаждена пленка, заземлялась. Поскольку электрофоретическая пленка осаждалась на обе стороны анода (со стороны, повернутой к катоду и с обратной стороны), то определялось среднее пробивное напряжение с каждой стороны анода. Среднее пробивное напряжение определялась по результатам пробоя пленки, не менее чем в 5 точках осажденной пленки с каждой стороны анодной пластины. Рассеивающую способность электрофоретического состава оценивали по отношению среднего пробивного напряжения пленки, определенного с обратной стороны пластины к среднему напряжению пробивного напряжения пленки, со стороны, обращенной к катоду. Рассеивающая способность тем лучше, чем ближе к 1 отношение указанных средних значений пробивных напряжений.

Исследования показали, что при увеличении объемного содержания в электрофоретическом состава нанотрубок из нитрида бора теплопроводность до концентраций 7% растет практически прямо пропорционально увеличению концентрации нанотрубок. Теплопроводность пленок увеличивается пропорционально концентрации и при превышении последней 7%, но угол наклона указанной зависимости становится намного меньше.

В таблице 1 приведены некоторые экспериментальные результаты, позволяющие обосновать выбранные в заявляемом способе диапазоны величин и показать преимущества заявляемого способа, по сравнению со способом-прототипом.

Как следует из таблицы 1, теплопроводность пленок при добавлении в них нанотрубок из нитрида бора возрастает при увеличении концентрации трубок в составе. По сравнению с прототипом теплопроводность пленок в заявляемом способе в среднем в 2÷2,6 раза выше. Среднее пробивное напряжение пленок полученных по способу-прототипу, в среднем на 20% ниже, чем пробивное напряжение пленок аналогичной толщины, но полученных по заявляемому способу. Это объясняется тем, что в заявляемом способе сушка пленок осуществляется в два этапа, что позволяет избежать образования дефектов в сохнущих пленках. При увеличении концентрации нанотрубок за 6%, резко снижается рассеивающая способность состава. В частности, при концентрации в электрофоретическом составе нанотрубок из нитрида бора равной 7 объемных %, среднее пробивное напряжение с обратной стороны анода (не повернутой к катоду) становится ниже, чем среднее пробивное напряжение пленки, осажденной на сторону анода, повернутую к катоду, ниже на 30% (рассеивающая способность 0,7). При увеличении объемной концентрации нанотрубок за 8% рассеивающая способность электрофоретического состава резко снижается. Снижение рассеивающей способности приводит к тому, что пленка, осажденная в разные участки паза, будет иметь резко неоднородные электроизоляционные свойства, что существенно снижает надежность изоляции обмоток.

Создание разрежения в термошкафу на первом этапе сушки электрофоретических пленок, осажденных на поверхность пазов, обусловлено следующими причинами.

Запекание осажденных электрофоретическим путем пленок в способе-прототипе осуществляется при температуре (380÷390)°C приводит к вскипанию и интенсивному испарению из осажденных пленок растворителя и иных жидких фракций, что вызывает нарушение монолитности пленок и к образованию в них многочисленных дефектов. Чтобы этого не происходило, в заявляемом способе сушку пленок проводят в два этапа. На первом этапе в термошкафу создают разряжение и термообработку пленок производят при относительно низких температурах.

Известно, что чем ниже величина разрежения, тем меньше температура вскипания жидкости. Например, при разрежении 10 Торр вода закипает при 18°C. При разрежении в 50 Торр, вода начинает кипеть при сравнительно низкой температуре, равной 30°C. Растворитель, поскольку его температура кипения на (20÷40)°C выше температуры кипения воды, при разрежении (40÷50) Торр, начинает кипеть при температуре (40÷50)°C. Получение разрежения в (40÷50) Торр достаточно просто осуществляется относительно дешевыми форвакуумными насосами. Достаточно низкая температура кипения растворителя (диоксана) при давлении в (40÷50) Торр дает возможность получения указанного разрежения более дешевыми форвакуумными насосами. Поэтому первый этап сушки требует поднять температуру в термошкафу только до (40÷50)°C. При разрежении (40÷50) Торр и указанной выше температуре, испаритель улетучивается из обмотки в несколько раз интенсивнее, чем при нормальном давлении и температуре. Поэтому первый этап сушки в заявляемом способе потребует в 4-5 раз меньше энергозатрат, чем если бы указанный этап производили при нормальном давлении и температуре.

Полное удаления растворителя из осажденных на поверхность пазов диэлектрических пленок при температуре (40÷50)°C и разрежение в (40÷50) Торр происходи в течении 3-5 минут. По истечению этого времени температуру в печи поднимают до 380÷3900°C и проводят окончательную сушку в течение 2-3 минут.

Пример конкретного выполнения.

По заявляемому способу производили изолировку пазов магнитного сердечника якоря электродвигателя АИР71В8, по номинальной мощности Рн=0,25 кВт. Число полюсов, 2р=8.

Магнитный сердечник 1 якоря размещали в эластичный герметический стакан 5, (см. фиг. .1), выполненный из маслостойкой резины «Эластосил R 502/80», таким образом, чтобы упомянутый стакан плотно прилегал к наружной поверхности магнитного сердечника. Размещение магнитного сердечника в герметичный стакан 5 позволяло предотвратить электроосаждение изоляционной пленки на образующую поверхность магнитного сердечника 1, что давало возможность исключить непроизводительные затраты электрофоретического состава, снизить ток электрофореза и исключить последующую операцию очистки упомянутой поверхности, от осевшей на него электрофоретической изоляционной пленки.

На внутренней поверхности стакана 5 на расстоянии 25 мм от торцов магнитного сердечника были выполнены по два выступа в виде гофр 12 (фиг. 1) между которыми размещались магнитодержатели 10. Магнитодержатели 10 (см. фиг. 2) были выполнены виде стального кольца, внешний диаметр которого был равен диаметру магнитного сердечника и составлял величину 80 мм. На внутренней образующей поверхности кольца магнитодержателей были выполнены выступы, в количестве 36 штук, в прорезях каждого из которых размещался постоянный прямоугольный неодимовый магнит 9, сечением (3×3) мм2 и длиной 20 мм. Толщина пластины, из которой были выполнены магнитодержатели 10, равнялась 5 мм. Постоянные прямоугольные магниты 9 располагались в стакане таким образом (фиг 1, фиг. 2), чтобы торец каждого из них находился над соответствующем пазом магнитного сердечника якоря. Расстояние между торцом паза 4 и торцами магнитов 9 было равно 7 мм. Вал 3 магнитного сердечника проходил по центральной оси магнитодержателей 10. Вал 3, выходящий из одного торца 4 магнитного сердечника 1 (на фиг. 1 он показан внизу) вставлялся в диэлектрическую втулку 7, в выемке нижнего электрода 6. Вывод нижнего электрода 6 наружу осуществлялся через отверстие в диэлектрическом стакане 5. Диаметр упомянутого вывода нижнего электрода 6 был несколько больше, чем диаметр отверстия в стакане, за счет чего в месте выхода вывода электрода осуществлялось герметичное уплотнение, не позволяющее в дальнейшем вытекать электрофоретическому составу из стакана наружу. Вал 3, выходящий из другого торца 4 магнитного сердечника 1 (показан на фиг. 1 вверху), свободно выходил через отверстие 11 в верхнем электроде-фланце 8.

Расстояние δ от торцов 4 магнитного сердечника 1 якоря, до нижнего электрода 6 и верхнего электрода-фланца 8 выбирали в диапазоне 10-20 мм. Выбор этого диапазона расстояний обусловлен следующими причинами. При расстоянии δ от торцов магнитного сердечника до электродов меньшим, чем 10 мм, резко снижается рассеивающая способность состава, что ухудшает качество изоляционной пленки в пазах магнитного сердечника. При расстоянии δ от торцов магнитного сердечника до электродов большем, чем 20 мм, увеличиваются энергетические затраты, необходимые для реализации заявляемого способа, так как с увеличением расстояния возрастает сопротивление электрофоретического состава между электродами и магнитным сердечником, и, для обеспечения в зазоре заданной плотности электрофореза, требуется тем большее напряжение, чем выше заданная плотность электрофореза. Нами было выбрано расстояние δ=15 мм.

Стакан 5, с размещенным внутрь него магнитным сердечником 1, магнитодержателями 10 и магнитами 9, устанавливали вертикально, как показано на фиг. 1. Через отверстие 11 в верхнем фланце-электроде 8 заливали внутрь стакана электрофоретический состав, со следующим составом и концентрацией компонентов (в мл/л):

лак ПЭ-939 марки В - 382,

1% нашатырный спирт - 1% NH4OH - 160,

этилцеллозольв - С4Н10О2 - 147,

белые нанотрубки из нитрата бора - 5,

диоксан (С4Н8О2) - остальное.

Подавали на магнитный сердечник 1 положительный потенциал от источника постоянного напряжения 13, а на вывод нижнего электрода 6 и вывод нижнего электрода-фланца 8, подавали отрицательный потенциал от упомянутого источника постоянного напряжения, и при плотности тока j=6 мА/см2 проводили электрофоретическое осаждение пленкообразующего вещества пазы магнитного сердечника 1 статора. Для того, чтобы обеспечить плотности тока электрофореза j=6 мА/см2 поступали следующим образом. Исходя из размеров магнитного сердечника статора электродвигателя АИР71В8, рассчитывали площадь S поверхности магнитного сердечника якоря, на которую необходимо было осадить при помощи электрофореза изоляционную пленку одного паза S1. Поверхность S равнялась:

S=36S1+2S2+(Sт-36Sп-2Sв), где S1 - внутренняя поверхность одного паза; S2 - покрываемая пленкой поверхность одного конца вала; Sт - площадь торца магнитного сердечника; Sп - площадь сечения паза; Sв - площадь сечения вала.

Размеры магнитного сердечника якоря электродвигателя АИР71В8, необходимые для расчета площади поверхности магнитного сердечника якоря, на которую осаждают изоляционную электрофоретическую пленку:

Диаметр вала Dв=19 мм;

длина вала Lв=40 мм с каждой из сторон от торца магнитного сердечника;

Длина магнитного сердечника Lc=80 мм;

Число пазов Z1=36;

Периметр паза в его сечении паза П=19,7 мм;

Наружный диаметр магнитного сердечника Dя=77,5 мм;

Поперечная площадь сечения паза Sп=40,82 мм2=0,41 см2.

S1=П×Lc=19,7×80=1576 мм2=15,76 см2;

S2=р×Dв×Lв=3,14×19×40=2386,4 мм2=23,864 см2;

Sт=p×Dя=3,14×(77,5)2=18859,625 мм2=188,6 см2;

Sd=p×(Dв)2/4=3,14×192/4=283,385 мм2=2,83 см.

S=36S1+2S2+(Sт-36Sп-Sв)=36×15,76+2×23,864+(188,6-36×0,41-2×2,83)≅

≅567,4+47,7+(188,6-14,76-5,66)≅783,3 см2

Общий ток электрофореза, необходимый для реализации электроосаждения в пазы, на вал и торец магнитного сердечника якоря равен

I=j×S=6×783,3=4699,68 мА≅4,7 А.

При подключении источника постоянного напряжения 13 между магнитным сердечником 1 и электродами 6 и 8, измеряли амперметром 14 ток электрофореза I, и напряжение на источнике постоянного напряжения изменяли до тех пор, пока ток электрофореза I не принимал значения 4,7 А. Значение I=4,7 А свидетельствовало о том, что плотность тока электрофореза j=6 мА/см2=6×10-3×104=60 А/м2.

Процесс электрофоретического осаждения изоляционной пленки на поверхность пазов производили в течение времени t, которое рассчитывали из выражения:

Толщину изоляционной пленки d задавали исходя из среднестатистического пробивного напряжения пленки полиэтилентерефталатной ПЭТ-Э, толщиной dиз=0,25 мм, используемой при типовой технологии изготовления пазовой изоляции, которое оказалось равным 4,5 кВ. Для того, чтобы изготавливаемая нами пазовая изоляции не уступала по уровню пробивного напряжения типовой пазовой изоляции магнитного сердечника статора АИР71В8, мы задавались пробивным напряжением, равным 6 кВ. Такое пробивное напряжение имела осаждаемая нами при помощи заявляемого способа пленка толщиной d=20 мкм=20×10-6 м.

Исходя из заданной толщины эмальизоляции 25×10-6 м, плотности эмали с=2,5×103 кг/м3, выхода сухого остатка по току k=9,87×10-6 кг/м2, плотности тока j=6 мА/см2=6×10-3×104=60 А/м2 определяли время t электрофореза.

После осаждения пленок на поверхность пазов магнитный сердечник извлекали из электрофоретического состава, освобождали его от герметичного диэлектрического кожуха, помещали магнитные сердечники в вакуумный термошкаф, создавали в нем разрежение 35 Торр и при температуре 45°C сушили осажденную на поверхность пазов пленку в течение 4 минут, затем повышали температуру в термошкафу до 385°C и запекали диэлектрическую пленку в течение 2,5 минут. Испытания пленки пазовой изоляции показало, что ее свойства и качественные характеристики практически не отличаются от характеристик пленок, нанесенных на стальные пластины, значения которых представлены в таблице 1.

Как следует из таблицы 1, изолировка пазов магнитных сердечников статоров электродвигателя АИР71В8 по заявляемому способу, по сравнению с прототипом, позволила повысить теплопроводность пленок в среднем в 2÷2,6 раза, а среднее пробивное напряжение - на 20%.

Источники используемой литературы

1) http://www.tehnoinfa.ru/obmotka/89.html.

2) http://www.oifn.ru/notation/proizvodstvo/35/-.

3) Патент РФ №2516266. Способ изолировки пазов магнитных сердечников якорей электродвигателей. / Г.В. Смирнов, Д.Г. Смирнов // Дата публикации заявки: 27.01.2014. Бюл. №3. Опубликовано: 10.11.2014. Бюл. №31 - прототип.

4) Николаев Г.В. Современная электродинамика и причины ее парадоксальности. Перспективы построения непротиворечивой электродинамики. - Томск: Изд-во «Твердыня», 2003, с. 44.

Способ изолировки пазов магнитных сердечников якорей электродвигателей, заключающийся в том, что магнитный сердечник якоря размещают по центру эластичного цилиндрического диэлектрического стакана, герметически охватывающего наружную поверхность магнитного сердечника якоря, устанавливают два электрода на расстоянии 20-30 мм от торцов магнитного сердечника якоря, заливают в упомянутый стакан электрофоретический состав при следующих отношениях компонентов электрофоретического состава (в об.%):

лак ПЭ-939 марки В 51,0÷25,5
1% нашатырный спирт - 1% NH4OH 13,0÷19,0
этилцеллозольв - С4Н10О2 12,0÷17,5
диоксан - С4Н8О2 остальное,

подают на магнитный сердечник положительный потенциал от источника постоянного напряжения, а на электроды подают отрицательный потенциал от упомянутого источника постоянного напряжения, и при плотностях тока, лежащих в диапазоне 2-10 мА/см2, проводят электрофоретическое осаждение пленкообразующего вещества в пазы на торцевые поверхности и вал магнитного сердечника якоря в течение времени, определяемого из выражения , где с - плотность эмали, кг/м3, d - толщина пазовой изоляции, м, k - выход сухого остатка по току, кг/(А·с), причем в процессе электрофоретического осаждения пленкообразующего вещества напротив каждого паза с торцевой части магнитного сердечника якоря создают непрерывное вращательное движение электрофоретического состава, для чего помещают напротив каждого паза прямоугольные постоянные магниты, торцы которых удалены от торца магнитного сердечника на 10-20 мм, затем после истечения времени t магнитный сердечник якоря извлекают из электрофоретического состава и осажденную на поверхность магнитного сердечника якоря пленку подвергают термообработке, отличающийся тем, что в электрофоретический состав дополнительно вводят 4÷6 об.% белых нанотрубок из нитрида бора, размер зерна которых не превышает 10÷20 нм, тщательно перемешивают состав до получения однородной массы и в указанном составе проводят анафоретическое осаждение диэлектрической пленки на поверхность пазов, после чего магнитный сердечник извлекают из электрофоретического состава, освобождают его от герметичного диэлектрического кожуха, помещают магнитные сердечники в вакуумный термошкаф, создают в нем разрежение 30÷40 Торр и при температуре 40÷50°С сушат осажденную на поверхность пазов пленку в течение 3÷5 мин, затем повышают температуру в термошкафу до 380÷390°С и запекают диэлектрическую пленку в течение 2-3 мин.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике, в частности к способам изолировки пазов статоров электрических машин. Способ изолировки пазов магнитных сердечников статоров микродвигателей включает ввод в электрофоретический состав 4÷6 об.% белых нанотрубок из нитрида бора, после чего состав перемешивают и в указанном составе проводят анафоретическое осаждение диэлектрической пленки на поверхность пазов, после чего магнитный сердечник извлекают из электрофоретического состава, освобождают его от герметичного диэлектрического кожуха, помещают магнитные сердечники в вакуумный термошкаф, создают в нем разрежение 30÷40 Торр и при температуре 40÷50°С сушат осажденную на поверхность пазов пленку в течение 3÷5 мин, затем повышают температуру в термошкафу до 380÷390°С и запекают диэлектрическую пленку в течение 2-3 мин.

Изобретение относится к статору электрической машины и способу изготовления статора. Технический результат заключается в повышении надёжности электрической машины.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к способам изолировки пазов статоров электрических машин. В способе изолировки пазов магнитных сердечников статоров микродвигателей всю поверхность магнитного сердечника, за исключением пазов, закрывают герметическим диэлектрическим кожухом, выполненным из эластичного агрессивно-устойчивого материала, размещают магнитный сердечник в сосуд, в который заливают электрофоретический состав, подводят к торцам магнитного сердечника два электрода, подают на магнитный сердечник положительный потенциал от источника постоянного напряжения, а на электроды подают отрицательный потенциал и проводят электрофоретическое осаждение пленкообразующего вещества, после чего магнитный сердечник извлекают из электрофоретического состава, освобождают его от герметичного диэлектрического кожуха и осаженную на поверхность пазов пленку подвергают термообработке в течение 4-5 мин при температуре 380-390°C.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к обмоткам статора электрических машин, расположенным вокруг зубцов, и может быть использовано в электрических двигателях и генераторах.

Изобретение относится к области электротехники и касается электрических машин, в частности особенностей конструктивного выполнения статоров электрических машин и их сборки.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам для изготовления обмоток, используемым для укладки проводников обмотки внутри открытых пазов роторов и статоров, преимущественно силовых электрических машин.

Изобретение относится к электромашиностроению и применяется при изготовлении погружных электродвигателей. .

Изобретение относится к области электротехники, а именно касается технологии изготовления статора бесщеточного электродвигателя постоянного тока и особенностей его конструктивного выполнения.

Изобретение относится к области электротехники и касается особенностей конструктивного выполнения статоров электродвигателей и технологии их изготовления. .

Изобретение относится к области электротехники. .
Наверх