СПОСОБ ИЗОЛИРОВАНИЯ ОБМОТКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ Российский патент 1997 года по МПК H02K15/12 

Изобретение относится к способу изолирования обмотки электрической машины, содержащей сегменты обмотки, уложенные с зазором в пазах ротора или статора, в частности, в виде пучка секций обмотки.

Качество электроизоляции обмоток электрических машин, то есть двигателей и генераторов, несущественно снижается из-за возникновения воздушных зазоров между отдельными слоями изоляции, особенно воздушных зазоров между крайним наружным слоем изоляции обмотки и внутренними стенками пазов в пакете сердечника ротора или статора машины, в которые уложена обмотка, но такие воздушные зазоры отрицательно влияют на отвод джоулева тепла, образующегося при эксплуатации в обмотке, в пакет сердечника.

Известные технологические приемы позволяют в значительной степени избежать воздушных включений и воздушных зазоров внутри самой изоляции. Однако это позволяет лишь ненамного устранить воздушные зазоры между наружным слоем изоляции и внутренними стенками пазов. Исходя из технологии изготовления, в большинстве случаев невозможно выполнить обе боковые стенки паза в пакте сердечника совершенно ровными и плоскопараллельными. Даже если бы укладываемый в паз пучок проводников имел строго прямоугольное поперечное сечение, укладка в паз была бы возможна лишь некоторым зазором между поверхностью изолированного пучка секций и обеими боковыми стенками паза.

Известны способы изолирования обмоток электрических машин с использованием изоляционных материалов с высоким содержанием связующих веществ в виде термореактивной искусственной смолы, благодаря текучести которой в процессе изготовления можно предотвратить воздушные включения. При этом после укладки изоляционных материалов обмотку подвергают дополнительной термообработке, а с помощью прессования с отверждением искусственной смолы, содержащейся в изоляции, обеспечивается сравнительно небольшой зазор между обмоткой и внутренними стенками паза.

В соответствии с другим известным способом так называемой вакуумной пропитки изоляцию обмотки, по крайней мере, частично, образуют из гигроскопичных, пористых изоляционных материалов. После укладки обмоток в пазы здесь создается сначала увеличенный зазор между обмоткой и внутренними стенками паза. Ротор или статор с этой обмоткой затем пропитывают в котле термоотверждаемой смолой. При этом сначала ротор или статор попадают в условия разрежения в пропиточном котле, благодаря чему воздух удаляется из пор или зазоров, а потом их помещают в резервуар с пропиточной смолой. Последующее приложение избыточного давления в в пропиточном котле способствует проникновению пропиточной смолы в поры и зазоры. Заключительная высокотемпературная обработка обеспечивает отверждение пропиточной смолы и входящих в состав изоляции связующих и искусственных смол.

Однако практика показывает, что обычный способ вакуумной пропитки не позволяет надежно предотвратить возникновение воздушных зазоров между изоляцией проводов и внутренними стенками пазов.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ изолирования обмотки электрической машины, уложенной в виде пучка изолированных проводников в пазы магнитопровода, при котором в зазоре, образованном поверхностью паза и обмоткой, размещают электроизоляционный элемент, производят пропитку обмотки подогретой смолой и ее отверждение (см. авт.свид. СССР N 710092, МПК Н 02 К 15/12, 1980). Известный способ способствует повышению надежности электрической машины, теплопроводности и ремонтопригодности, однако относительно сложен в осуществлении и не в достаточной степени позволяет исключить образование воздушных зазоров внутри пазов ротора или статора, в которые уложена обмотка.

Задачей изобретения является создание способа изолирования обмотки электрической машины, более экономичного и эффективного по сравнению с известными решениями. Достигаемым при этом техническим результатом является резкое снижение вероятности образования воздушных зазоров внутри пазов ротора или статора, в которые уложена обмотка.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе изолирования обмотки электрической машины, уложенной в виде пучка изолированных проводников в пазы магнитопровода, при котором в зазоре, образованном поверхностью паза и обмоткой, размещают электроизоляционный элемент, производят пропитку обмотки подогретой смолой и ее отверждение, согласно изобретению, в качестве указанного элемента используют ламинат, содержащий, по меньшей мере, в одном из слоев упруго сжатую массу, образованную высокоупругими электроизоляционными волокнами, пропитанными способной к размягчению и последующему отверждению термореактивной смолой, после размещения ламината в зазоре производят его нагрев до размягчения термореактивной смолы, обеспечивая его расширение в результате разгрузки сжатой массы и заполнение ею зазора, затем указанную термореактивную смолу отверждают при повышенной температуре.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, нагрев ламината и отверждение термореактивной смолы производят в процессе пропитки обмотки. Кроме того, ламинат может подвергаться предварительному нагреву до 70-270^oC, например в циркуляционной печи, для обеспечения условий упругого расширения сжатой волокнистой массы.

Предпочтительным также является то, что введенный ламинат содержит с одной или обеих сторон упруго расширяющегося слоя пленку из электроизоляционного материала, причем такой ламинат закладывают в зазор предпочтительно этой пленочной стороной к стенке паза. Вводимый ламинат может содержать с обеих сторон пленки электроизоляционного материала слои, способные упруго расширяться. При этом во введенном ламинате, по меньшей мере, одна из пленок предпочтительно выполнена из полиэфира или полиимида, а в упруго расширяющемся слое волокнистая масса состоит предпочтительно из стекловолокна, арамидных или полиэфирных волокон.

Кроме того, предпочтительным является то, что в упруго расширяющемся слое введенного ламината волокнистая масса изготовлена на основе волокнистого прочеса, холста или войлока, а также то, что упруго расширяющийся слой введенного ламината содержит 10-40% искусственной смолы, предпочтительно 10-28%
На фиг. 1 представлена схема изготовления ламината согласно изобретению; на фиг. 2 вид в разрезе готового ламината, изготовленного согласно изобретению, на фиг. 3 пример электроизоляции обмотки электрической машины и фиксации ее в пазах; на фиг. 4, 5 схематичное изображение в разрезе других примеров выполнения гильзы из ламината.

При осуществлении способа, соответствующего изобретению, необходим ламинат, изготавливаемый в соответствии с примером выполнения следующим образом.

Ленту из стеклохолста с удельным весом поверхности 150 г/м², изготовленную из неориентированных штапельных стекловолокон, пропитывают смолой, состоящей на 98,4% из эпоксидной смолы на основе диглицидного эфира биофенола А и на 1,6% из нафтената цинка в качестве латентного ускорителя, в результате чего доля смолы в пропитанной ленте из стеклохолста составляет 20 вес. причем добавка нафтената цинка обладает дополнительным эффектом, предпочтительным для дальнейшего хода процесса и состоящим в том, что она снижает область плавления пропиточной смолы, которая по Кофлеру составляет 120^oC так, что сама пропиточная смола имеет область плавления 70^oC.

Пропитку выполняют в установке, в которой непрерывно подводимую ленту из стеклохолста подвергают капельному воздействию раствора пропиточной смолы в метилэтилкетоне в качестве растворителя, а затем выпаривают растворитель пропусканием через сушильный канал. Пропитанная, таким образом, стекловолокнистая лента затем подвергается разрезанию на куски, как обычно.

Для изготовления ламината, как показано в виде схемы на фиг. 1, пропитанную стекловолокнистую структуру 1 накладывают в два слоя на прессовую плиту 2, а затем покрывают полиэфирной пленкой 3 (из полиэтилентерефталата) толщиной 0,03 мм. Этот штабель 4 толщиной около 1 мм затем помещают на плите в пресс с обогреваемыми и охлаждаемыми пластинами и прессуют до толщины 0,33 мм. Затем пластины пресса нагревают до 120^oC и поддерживают эту температуру в течение около 1 часа. При этом материал полностью прогревается и пропиточная смола размягчается благодаря своей низкой области плавления, а затем расплавляется и равномерно распределяется по объему волокнистой структуры. Вслед за этим пластины пресса и вместе с ними прессуемый материал охлаждаются до нормальной температуры, благодаря чему пропиточная смола снова затвердевает и опрессованный штабель 4 превращается в готовый ламинат 5 (см. фиг. 2), извлекаемый затем из пресса.

Изготовление электроизоляции обмотки электрической машины и ее фиксация в пазах поясняется с помощью фиг. 3.

На фиг. 3 показан разрез паза 6 в пакете 7 сердечника на роторе или статоре с двумя уложенными в нем пучками 8 секций. Каждый пучок 8 состоит из шести медных проводов 9, изолированных каждый слоем 10 из пленочной композиции слюды с пластмассой, содержащим сравнительно большое количество связующего, и изоляцией 11, например, на основе композита из стеклоткани со слюдой.

В пустые пазы 6 закладывают сначала предварительно раскроенную и сложенную из описанного ламината гильзу 12, подходящую к прямоугольному пространству паза, причем предусматривают накладку верхних краев гильзы 12 одного на другой в области 13. После этого в пазы 6 закладывают обмотку, размещая между отдельными пучками 8 полосу 14 из расширяющегося ламината 5. Затем накладывают один на другой края области 13 гильзы 12 и устанавливают пазовый клин 15. Фиг. 3 иллюстрирует этот этап способа.

Затем ротор или статор подвергают обычным образом вакуумной пропитке, а затем отверждают в печи при повышенной температуре.

В процессе пропитки разогретая в сравнительно текучая пропиточная смола проникает во все свободные зазоры и поры внутри паза и изоляции обмотки, в частности, в поры расширяющегося материала ламината гильзы 12 и полосы 13. Благодаря расплавлению искусственной смолы, удерживающей волокнистую массу в сжатом состоянии, эта волокнистая масса упруго расширяется, при этом пространства в виде зазоров в пазу равномерно заполняются и, к тому же, оказывается давление на пучки 8 секций. Благодаря более равномерному заполнению промежутков и оказываемому давлению, резко снижается опасность сохранения воздушных зазоров и воздушных включений после пропитки или их возникновения внутри изоляции в процессе эксплуатации электрической машины.

Преимущество изоляции, изготовленной заявляемым способом, состоит также в том, что сам материал ламината, в принципе, состоит из компонентов, обычно используемых для построения изоляции пучков секций. Поэтому в заявляемом способе изоляция пучков секций может быть в большинстве случаев выполнена более тонкой, чем в известных системах изоляции, изготовленных методом вакуумной пропитки.

На фиг. 4 и 5 схематически показаны в разрезе другие примеры выполнения гильзы из ламината, заключающей в себя пучок секций. В соответствии с фиг. 4 два верхних края 16 гильзы 17 не накладываются один на другой, а под них проложена полоса 18 из ламината. В соответствии с фиг. 5 гильза состоит из двух частей 19, 20, имеющих каждая П-образное сечение и перекрывающих одна другую на боковых сторонах. Здесь также под верхнюю часть 20 гильзы проложена полоса 21 из ламината. В качестве разновидности этого варианта верхняя часть 20 гильзы может быть выполнена из ламината, не способного к расширению. Упруго расширяющиеся ламинированные материалы могут быть также уложены только в продольном направлении паза к его выходу, с накладкой один на другой. Вследствие этого изоляционные слои становятся более однородными в области перехода от паза к головным частям обмотки, что создает лучшие изоляционные свойства, чем в известном способе выполнения изоляции.

Используемый в заявляемом способе ламинат может быть выполнен из различных сочетаний слоев. В двухслойной конструкции из пленки и упруго расширяющегося слоя используют, например, для машин класса F полиэфирную пленку, а для машин класса Н полиамидную пленку. Упруго расширяющийся слой предпочтительно изготавливается из стекловолокнистого холста, полиэфирного или арамидного войлока.

В качестве других предпочтительных примеров можно привести следующие (с указанием толщины отдельных слоев, общей толщины, до расширения и после него):
б) полиамидная пленка (Каптон) 0,025 мм
стекловолокнистый холст 0,30 мм
общая толщина, около 0,33 мм
в расширенном состоянии, около 1,0 мм
б) полиэфирная пленка 0,030 мм
стекловолокнистый холст 0,1 мм
общая толщина 0,13 мм
в расширенном состоянии, около 0,25 мм
г) полиимидная пленка (Каптон) 0,025 мм
арамидный войлок (Номекс) 0,15 мм
общая толщина, около 0,19 мм
в расширенном состоянии около 0,30мм
Размещение ламината в зазоре между стенкой паза и поверхностью проводника с пленкой, обращенной к стенке паза, имеет преимущество, состоящее в том, что при разборке обмотки эта пленка действует как разделительная пленка.

Согласно другим вариантам, ламинат может состоять также из трехслойной конструкции, в которой по обе стороны от упруго расширяющегося слоя ламината проходит пленка, или в которой к обеим сторонам такой пленки примыкают упруго расширяющиеся слои.

Способ, соответствующий изобретению, наиболее целесообразно применять при изготовлении тяговых электродвигателей, а также машин, в которых пазы в пакете пластин ротора или статора имеют пазовую изоляцию.

Cущность изобретения: перед укладкой обмотки в пазы статора или ротора, пазы выкладывают ламинатом, содержащем не менее, чем в одном из своих слоев упруго сжатую массу из высокоупругих электроизоляционных волокон и отвержденную, но способную размягчиться при повышенной температуре термореактивную смолу. После нагрева ламината происходит его расширение и заполнение зазора, что упрощает процесс заполнения воздушных промежутков паза. 13 зав. п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ изолирования обмотки электрической машины, уложенной в виде изолированных проводников в пазы магнитопровода, в котором в зазоре, образованном поверхностью паза и обмоткой, размещают электроизоляционный элемент, производят пропитку обмотки подогретой смолой и ее отверждение, отличающийся тем, что в качестве указанного элемента используют ламинат, содержащий по меньшей мере в одном из слоев упруго сжатую массу, образованную высокоупругими электроизоляционными волокнами, пропитанными способной к размягчению и последующему отверждению термореактивной смолой, после размещения ламината в зазоре производят его нагрев до размягчения термореактивной смолы, обеспечивая его расширение в результате разгрузки сжатой массы и заполнение ею зазора, затем указанную термореактивную смолу отверждают при повышенной температуре. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев ламината и отверждение термореактивной смолы производят в процессе пропитки обмотки. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что введенный ламинат содержит по меньшей мере на одной стороне упруго расширяющегося слоя примыкающую к нему пленку из электроизоляционного материала. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что ламинат укладывают пленочной стороной к стенке паза в промежуточное пространство в виде зазора. 5. Способ по п.3 или 4, отличающийся тем, что введенный ламинат содержит с обеих сторон упруго расширяющегося слоя примыкающую к ним пленку из электроизоляционного материала. 6. Способ по одному из пп. 1 3, отличающийся тем, что введенный ламинат содержит упруго расширяющиеся слои с обеих сторон пленки из электроизоляционного материала. 7. Способ по одному из пп.3 5, отличающийся тем, что в введенном ламинате по меньшей мере одна из пленок состоит из полиэфира. 8. Способ по одному из пп.3 6, отличающийся тем, что в введенном ламинате по меньшей мере одна из пленок состоит из полиимида. 9. Способ по одному из пп.1 8, отличающийся тем, что в упруго расширяющемся слое введенного ламината волокнистая масса по меньшей мере в основном состоит из стекловолокон. 10. Способ по одному из пп.1 8, отличающийся тем, что в упруго расширяющемся слое введенного ламината волокнистая масса по меньшей мере в основном состоит из арамидных волокон. 11. Способ по одному из пп. 1 8, отличающийся тем, что в упруго расширяющемся слое введенного ламината волокнистая масса по меньшей мере в основном состоит из полиэфирных волокон. 12. Способ по одному из пп.1 11, отличающийся тем, что в упруго расширяющемся слое введенного ламината волокнистая масса изготовлена на основе волокнистого прочеса, холста или войлока. 13. Способ по одному из пп.1 11, отличающийся тем, что упруго расширяющийся слой введенного ламината содержит 10 40 мас. искусственной смолы. 14. Способ по п.13, отличающийся тем, что упруго расширяющийся слой введенного ламината содержит 10 28 мас. искусственной смолы.