СПОСОБ ПРОПИТКИ ОБМОТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН Российский патент 2014 года по МПК H02K15/12 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано, например, в производстве статоров электрических машин.

Известен способ пропитки обмоток электрических машин, при котором обмотку и пропиточный состав разогревают до температуры пропитки, погружают одну из лобовых частей обмотки в пропиточный состав и после появления пропиточного состава на другой лобовой части обмотки извлекают обмотку из состава, поворачивают ее на 180° вокруг ее вертикальной оси и сушат ее в этом положении [1]. Отличительной особенностью способа является то, что погруженную в пропиточный состав лобовую часть обмотки устанавливают на токопроводящий элемент, а к непогруженной лобовой части обмотки подсоединяют электрод и создают между электродом и токопроводящим элементом разность потенциалов.

Недостатком указанного способа является то, что коэффициент пропитки обмоток К_пр, пропитанных по указанному способу, не превышает величины 0,24, это свидетельствует о том, что 76% полостей обмотки не заполнены пропиточным составом.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ пропитки многовитковой обмотки электрической машины, описанный в [2]. Способ-прототип заключается в подаче на лобовые части обмотки струи пропиточного состава, и в одновременной вибрации обмотки на вибрационном стенде, причем частоту вибрации циклически изменяют непрерывно от минимального до максимального значений.

Недостатками способа-прототипа является: низкий коэффициент пропитки К_пр, не превышающей величины 0,36, нестабильность значений К_пр от обмотки к обмотке, обусловленная отсутствием контроля пропитки при ее проведении, и вытеканием пропиточного состава из обмотки в процессе ее сушки. Кроме того, пропитка по способу - прототипу не достаточно эффективно устраняет дефектность в витковой изоляции обмотки, и в незначительной мере повышает теплопроводность обмотки, что снижает ее эксплуатационную надежность.

Задача изобретения состоит в снижении разбросов значений коэффициента пропитки К_пр от обмотки к обмотке и повышении его величины, а также повышение эффективности пропитки.

Технический результат достигается тем, что в способе пропитки многовитковой обмотки электрической машины, включающим в себя подачу на лобовые части обмотки тонкой струи пропиточного состава из сопла, на нагретую лобовую часть обмотки, и вовращении струи вдоль лобовой части обмотки, дополнительно перед пропиткой в пропиточный состав добавляют мелкодисперсный ферромагнитный наполнитель, который предварительно дезинтегрируют до размера d_фер<10 мкм. Смешивают пропиточный состав с измельченным ферромагнитным наполнителем в соотношении масс.% :(10÷15) ферромагнитных частиц, (90÷85) пропиточного состава, тщательно перемешивают полученную смесь, и заливают ее в пропиточную установку. При этом предварительно перед пропиткой по обмоточным данным рассчитывают предельную массу пропиточной смеси m_пр, которую можно разместить в полостях каждой из однотипных обмоток в процессе пропитки. Задают эту массу m_пр в весоизмерительном преобразователе, после чего непропитанную обмотку с магнитным сердечником устанавливают на тензодатчики весоизмерительного преобразователя и взвешивают ее совместно с магнитным сердечником. Измеренный вес непропитанной обмотки с магнитным сердечником принимают за нулевой отсчет, для чего в весоизмерительном преобразователе обнуляют показания веса непропитанной обмотки с магнитным сердечником. Затем через выходные провода обмотки подводят к ней греющий ток, которым разогревают обмотку до температуры (80÷90)°С, после чего греющий ток отключают от обмотки, и провод пропитываемой обмотки заземляют. Вводят в сопло электрод и подают на него потенциал, абсолютная величина которого, относительно заземленного провода обмотки, лежит в диапазоне (2÷5) кВ, и осуществляют процесс пропитки каждой из однотипных обмоток. При этом в процессе пропитки частицы пропиточной смеси компаунда с мелкодисперсным ферромагнитным порошком электростатически заряжают, путем пропускания частиц пропиточной смеси вдоль упомянутого электрода. Формируют струю, пропуская электростатически заряженные частицы указанной пропиточной смеси через сопло, на выходе из сопла струю изгибают и вращают. При этом для вращения струи вдоль лобовой части обмотки на выходе из сопла на струю воздействуют вращающимся электромагнитным полем, напряженность которого направлена перпендикулярно оси струи. Амплитуду упомянутой напряженности магнитного поля изменяют по гармоническому закону, добиваясь того, чтобы конец струи пропиточной смеси, падающей на разогретую лобовую часть обмотки описывал траекторию $$x^2+y^2=R^2+\frac{L^2}{4}+RL\left[\cos \left(kwt\right)\right],$$ где х, y - координаты горизонтальной плоскости лобовой части обмотки, R - средний радиус лобовой части обмотки, L - ширина лобовой части обмотки, k - количество колебаний, совершаемых струей поперек лобовой части обмотки при одном обороте вращающегося магнитного поля, w - угловая скорость вращения вращающегося магнитного поля, t - время, при этом угловую скорость вращения магнитного поля задают в диапазоне (1<w<3) об/мин, а количество колебаний, совершаемых струей поперек лобовой части задают в диапазоне 10<k<12. В процессе пропитки постоянно взвешивают весоизмерительным преобразователем массу пропиточной смеси m_c, проникшую в полости и капилляры каждой пропитываемой обмотки, и при достижении равенства массы пропиточной смеси m_c в пропитываемой обмотке и массы m_пр пропиточной смеси, которую можно разместить в полостях однотипных обмоток в процессе пропитки, прекращают полив компаунда на верхнюю лобовую часть обмотки. Провода обмотки отсоединяют от земли, и через них к обмотке вновь подводят греющий ток, которым разогревают обмотку до температуры (160-165)°С и при этой температуре осуществляют окончательное компаундирование проникшей в обмотку пропиточной смеси.

На фиг.1 изображена схема технологического процесса пропитки по заявляемому способу. На фиг.2 схематически представлена траектория струи вдоль лобовой части обмотки.

На фиг.1 введены следующие обозначения: 1 - струя пропиточного состава; 2 - сопло; 3 - верхняя лобовая часть обмотки; 4 - пропиточный состав; 5 - кнопка; 6 - блок управления; 7 - нижняя лобовая часть; 8, 9 - тензодатчики; 10 - термоизмеритель; 11 - высоковольтный источник; 12 - весоизмерительный преобразователь; 13 - трехфазное напряжение; 14, 15, 16 - электромагнитные катушки; 17 - высоковольтный электрод; 18 - магнитный сердечник.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Пропитка обмоток традиционным струйно-капельным методом включает в себя подачу тонкой струи пропиточного состава из сопла на нагретую лобовую часть обмотки и во вращении пропитываемой обмотки под падающей на нее струей пропиточного состава. Недостатки этой технологии состоят в том, что для ее реализации нужно иметь в наличии электромеханические устройства, при помощи которых нужно вращать пропитываемую обмотку под падающей на ее лобовые части струей пропиточного состава. Эти электромеханические устройства вращения энергозатратны, и создают вокруг себя шумы, опасные для людей. Другим существенным недостатком этой традиционной технологии является то, что пропиточные компаунды обладают относительно низкой теплопроводностью, поэтому затруднен теплоотвод из обмотки в процессе ее эксплуатации в составе электродвигателей, что снижает надежность изделий с обмоткой. Еще одним недостатком традиционной технологии, является то, что в процессе сушки (компаундирования) пропиточного состава в обмотке, он, в начальный период разогрева, резко снижает свою вязкость и начинает интенсивно вытекать из полостей обмотки. Это приводит к снижению коэффициента пропитки обмотки, характеризующего степень насыщенности межвитковых и прикорпусных полостей обмотки пропиточным составом. В свою очередь снижение коэффициента пропитки приводит к ухудшению тепловых и механических свойств обмотки, а также к снижению вероятности скрытия дефектов в витковой и корпусной изоляции обмоток. Все это в значительной мере снижает надежность и долговечность работы обмоток.

На устранение всех этих недостатков и направлено настоящее изобретение. Рассмотрим, за счет каких операций решается поставленная техническая задача.

Первое отличие заявляемого способа от традиционной технологии и способа-прототипа, заключается в том, что перед пропиткой в пропиточный состав добавляют мелкодисперсный ферромагнитный наполнитель, в качестве которого используют никель-цинковый ферритовый порошок, обладающий высоким удельным сопротивлением не менее (10⁵-10¹³) Ом×м, теплопроводность которого выше теплопроводности пропиточного компаунда, который предварительно дезинтегрируют до размера зерна не более 10 мкм (d_фер<10 мкм). Смешивают пропиточный состав с измельченным ферромагнитным наполнителем в соотношении масс.%: (10÷15) % ферромагнитных частиц, (90÷85)% пропиточного состава, тщательно перемешивают полученную смесь, и заливают ее в пропиточную установку.

Эта операция необходима для того, чтобы, не снижая электроизоляционных и технологических свойств пропиточного состава, достичь следующих целей:

1 - повысить теплопроводность пропиточного состава;

2 - придать возможность управления струй пропиточного состава при помощи магнитных полей (изгибание, вращение и вибрирование струи);

3 - использовать магнитные свойства пропиточного состава для предотвращения его вытекания из обмотки в процессе ее сушки после пропитки.

Электроизоляционные свойства пропиточного состава сохраняются за счет того, что частицы ферромагнитного никель-цинкового порошка обладает высоким удельным сопротивлением, соразмеримым с удельным сопротивлением пропиточного компаунда.

Технологические свойства пропиточного состава (вязкость, температура и время компаундирования и др.) сохраняются за счет того, что размер зерна никель - цинкового порошка должен быть не более 10 мкм. Эту величину можно обосновать следующими оценками.

Коэффициент заполнения проводом паза обмоток Кз для большинства статоров электродвигателей обмоток лежит в диапазоне 0,6-0,8. Коэффициент заполнения паза проводом обычно задается в конструктивной документации того или иного вида электродвигателей и равняется величине

Кз=nS_пp/S_паза,

где n - количество проводников в пазу, S_пр - площадь сечения провода, S_паза - свободная площадь сечения паза.

Так как коэффициент заполнения паза обмотки проводом К₃ в обмотке обычно лежит в диапазоне 0,6-0,8, то на межвитковые полости обмотки приходится доля 0,2-0,3 площади паза.

Межвитковые полости представляют собой капилляры, и их количество в пазу можно принять равным количеству проводников т в пазу. В связи с этим средний диаметральный размер межвитковой полости (капилляра) d_пол также будет составлять (0,2-0,3) от диаметра провода d_пр, т.е. d_пол=(0,2-0,3) d_пр.

Выбранный размер зерна никель-цинкового порошка должен быть таким, чтобы его можно было использовать при пропитке любых обмоток, в том числе и обмоток электродвигателей, изготовленных из относительно тонкого провода. Струйно-капельный метод пропитки применяется только для электрических машин крупносерийного производства с высотой центров, как правило, более 200 мм. Диаметры d_пp используемых обмоточных проводов, для обмоток с упомянутой высотой центров, как правило, больше 0,5 мм. Поэтому за минимальный размер диаметра провода, обмоток, пропитываемых струйным методом, можно принять диаметр провода d_пp=0,5 мм. Тогда при самом плотном заполнении паза проводом Кз=0,8, диаметральный размер межвитковой полости будет равен

$$d_{пол}=\mathrm{0,2}{d}_{пр}=\mathrm{0,2}\times \mathrm{0,5}=0.1мм(1)$$ .

Для того, чтобы никель - цинковые частицы свободно проходили в межвитковые полости необходимо, чтобы размер d_фер зерна никель-цинковых частиц был много меньше диаметра d_пол межвитковых полостей. Это условие выполняется при выполнении неравенства d_фep<<d_пол, или, исходя из выражения (1)

$$d_{фер}<<\mathrm{0,1}мм(2)$$ .

Неравенство (2) надежно выполняется, если диаметр никель-цинковых частиц по крайней мере не менее, чем на порядок меньше величины 0,1 мм, т.е размер ферромагнитных частиц должен удовлетворять неравенству

$$d_{фер.}\le \mathrm{0,01}мм(3)$$ .

Иными словами размер зерна никель-цинкового феррита должен быть не более 10 мкм.

Так как теплоотвод из обмотки тем лучше, чем выше ее эквивалентная теплопроводность, которая в значительной мере зависит от теплопроводности пропиточного состава.

Теплопроводность пропиточного состава повышается за счет того, что теплопроводность никель-цинковых частиц (λ_н=1,08 Вт/м×К), больше теплопроводности компаунда (λ_н=0,28 Вт/м×К), и смесь композиции пропиточного состава из упомянутых компонентов имеет большую теплопроводность, чем теплопроводность пропиточного компаунда.

Добавка никель-цинкового порошка в пропиточный компаунд, придает струе этого компаунда электромагнитные свойства, что позволяет при помощи электромагнитных полей управлять этой струей: изгибать ее, вращать изогнутую струю, вибрировать струей, что в значительной мере способствует упрощению и повышению эффективности технологии пропитки, так как позволяет избавиться при пропитке от энергоемких электромеханических, шумящих устройств.

Если после пропитки обмотки упомянутым композиционным пропиточным составом через провод обмотки пропустить ток, то под действием магнитного поля упомянутого тока, в межвитковых полостях происходит переориентация никель-цинковых частиц, и они группируются таким образом, что создают в межвитковых капиллярах своеобразный электромагнитный затвор, и вытекание пропиточной смеси из обмотки мгновенно прекращается. Это позволяет в процессе компаундирования и сушки пропиточного состава в обмотке после ее пропитки, полностью сохранить весь пропиточный состав, попавший в нее в процессе пропитки. За счет сохранения в обмотке попавшего в нее пропиточного состава удается в значительной мере повысить коэффициенты пропитки обмоток, повысить стабильность значений упомянутых коэффициентов, и, как следствие этого, повысить надежность обмоток.

Следующий отличительный признак заявляемого способа заключается в том, что предварительно, перед пропиткой, по обмоточным данным рассчитывают предельную массу пропиточной смеси m_c, которую можно разместить в полостях каждой из однотипных обмоток в процессе пропитки. Задают эту массу m_cc в весоизмерительном преобразователе, после чего непропитанную обмотку с магнитным сердечником устанавливают на тензодатчики весоизмерительного преобразователя. Взвешивают ее совместно с магнитным сердечником, и измеренный вес непропитанной обмотки с магнитным сердечником принимают за нулевой отсчет, для чего в весоизмерительном преобразователе обнуляют показания веса непропитанной обмотки с магнитным сердечником.

Эта операция необходима для того, чтобы осуществлять контроль технологической операции пропитки. Рассмотрим этот отличительный признак более подробно. При пропитке обмоток в соответствии с традиционной технологией и с технологией пропитки по способу-прототипу контролируют только режимы пропитки: температуру предварительного разогрева провода обмотки, время пропитки, температурные режимы и время окончательной сушки обмоток. Основной же параметр пропитки - степень насыщенности обмоток пропиточным составом (коэффициент пропитки), который и определяет качество проведения указанной операции пропитки, при ее реализации не контролируют. Это приводит к тому, что по завершению операции пропитки, за счет колебаний режимов пропитки, изменений свойств пропиточного состава, разброса параметров провода и магнитного сердечника, изменение режимов намотки и т.д, коэффициент пропитки от одной однотипной обмотки к другой имеет большой разброс. Иными словами, отсутствие надлежащего контроля коэффициента пропитки непосредственно при проведении операции пропитки, приводит к большому разбросу качества обмоток, и как следствие этого, к большому разбросу показателей их эксплуатационной надежности. В заявляемом способе предлагается устранить этот недостаток и осуществлять контроль коэффициента пропитки непосредственно при ее проведении. Коэффициент пропитки K_пpi определяют по формуле

$${К}_{прi}=\frac{m_i}{m_0},\text{ (4)}$$

где m₀ - предельная масса пропиточного состава, которую можно разместить в полостях обмотки при их 100% заполненности сухим пропиточным составом

$$m_0=d_c{\text{ V}}_{\text{0}}=d_c{\text{ Sl}}_{\text{w}}(1-\frac{p}{4}Kз)\times \frac{p}{2}\text{ (5)}$$

где d_c - плотность сухого остатка пропиточного состава; V₀ - объем воздушных полостей в непропитанной обмотке; S - свободная площадь сечения паза; l_w - средняя длина витка в обмотке; p - число пазов, в которые всыпана контролируемая часть обмотки; Кз - коэффициент заполнения паза проводом.

Для того, чтобы осуществить контроль пропитки по коэффициенту пропитки, поступают следующим образом. Исходя из обмоточных данных пропитываемого типа обмоток, рассчитывают предельную массу пропиточного состава m₀ по формуле (5).

Величину V₀ в выражении (5) рассчитывают по формуле, приведенной в работе [3]:

$${\text{V}}_{\text{0}}={\text{ Sl}}_{\text{w}}(1-\frac{p}{4}Kз)\times \frac{p}{2}\text{, (6)}$$

Так как при пропитке межвитковые полости обмотки заполняют жидким пропиточным составом, плотность которого d_ж отличается от плотности сухого остатка d_c, то и массу пропиточной смеси m_0ж, которую можно разместить в полостях каждой из однотипных обмоток в процессе пропитки, следует рассчитывать по формуле

$$m_0{}_{ж}=d_{ж}{\text{ V}}_{\text{0}}=d_{ж}{\text{ Sl}}_{\text{w}}(1-\frac{p}{4}Kз)\times \frac{p}{2}\text{ (7)}$$

В процессе пропитки пропиточный состав не только проникает в полости обмотки, но и втекает из нее, поэтому достичь 100% заполнения полостей обмотки жидким пропиточным составом при струйной пропитке не представляется возможным. При пропитке возникает некоторое динамическое равновесие между проникающим в полости обмотки и вытекающим из него пропиточным составом. Это динамическое равновесие зависит от химического состава пропиточной смеси, его температуры, вязкости, обмоточных данных и ряда других параметров. Эксперименты показали, что масса жидкого пропиточного состава, которую реально можно залить в полости обмотки при достижении динамического равновесия составляет

$$m_c=\left(\mathrm{0,85}-\mathrm{0,90}\right)m_{0ж}^{}\text{. (8)}$$

Рассчитанную по формуле (8) массу m_c задают в весоизмерительном преобразователе, после чего каждую непропитанную обмотку с магнитным сердечником устанавливают на тензодатчики весоизмерительного преобразователя, взвешивают ее совместно с магнитным сердечником, и измеренный вес непропитанной обмотки с магнитным сердечником принимают за нулевой отсчет, для чего в весоизмерительном преобразователе обнуляют показания веса непропитанной обмотки с магнитным сердечником.

Операцию взвешивания перед пропиткой каждой обмотки с магнитным сердечником и принятие полученного веса каждой непропитанной обмотки с магнитным сердечником за нулевой отсчет производится из следующих соображений. Как было указано выше, основным параметром определяющим качество пропитки является коэффициент пропитки, характеризующий степень насыщенности межвитковых полостей в обмотке пропиточным составом. Так как предельная масса пропиточного состава m_c, которую можно разместить в межвитковые полости обмотки практически на порядок меньше веса магнитного сердечника с обмоткой, то точно определить эту массу на фоне всего изделия в целом достаточно сложно, тем более, что разброс веса магнитного сердечника с обмоткой от одного однотипного изделия к другому достаточно велик, и если не брать за нулевой отсчет массу каждой контролируемой непропитанной обмотки вместе с магнитным сердечником, то это усложнит контроль пропитки, так как для каждой обмотки нужно устанавливать разный предельный вес пропитываемой обмотки, при достижении которого процесс пропитки можно прекращать. Обнуление позволяет установить один и тот же предел по привесу m_c для каждой пропитываемой обмотки, не зависимо от того, какие разбросы по весу имеют непропитанные обмотки с магнитным сердечником. Кроме того, отсутствие обнуления и принятия веса непропитанной обмотки с магнитным сердечником за нулевой отсчет, может привести к еще большим погрешностям при контроле массы пропиточного состава, проникающего в обмотку, на фоне веса всего изделия. Процесс контроля упомянутой массы пропиточного состава существенно упрощается, если принять за нулевой отсчет исходный вес каждой не пропитываемой обмотки с магнитным сердечником.

Следующий отличительный признак заявляемого изобретения заключается в том, что через выводы проводов обмотки к ней подводят греющий ток, разогревают ее до температуры (80÷90)°С, а затем отключают греющий ток. Провод пропитываемой обмотки заземляют. Вводят в сопло электрод, на который подают потенциал, абсолютная величина которого, относительно заземленного провода обмотки, лежит в диапазоне (2÷5) кВ. После этого осуществляют процесс пропитки каждой из однотипных обмоток, для чего частицы пропиточной смеси компаунда с мелкодисперсным ферромагнитным наполнителем электростатически заряжают, путем пропускания частиц пропиточной смеси вдоль упомянутого электрода. Формируют струю, пропуская электростатически заряженные частицы указанной пропиточной смеси через сопло.

Операцию разогрева обмоток до температуры (80÷90)°С осуществляют для того, чтобы улучшить проникновение пропиточного состава в полости обмотки. Улучшение проникновения пропиточного состава в полости обмотки достигается за счет того, что вязкость пропиточного состава при температуре (80÷90)°С резко снижается, и он легче и быстрее проникает в межвитковые полости обмотки.

Отключение греющего тока от провода обмотки перед пропиткой осуществляется потому, что упомянутый ток, протекая по проводам обмотки, создает вокруг них магнитное поле, а так как пропиточной смеси приданы магнитные свойства, то магнитное поле, протекающих по проводам обмотки токов, препятствует проникновению пропиточной смеси в полости обмотки, и вместо пропитки обмоток происходит только обволакивание пропиточным поверхности лобовой части обмотки.

Заземление провода обмотки, введение в сопло электрода, на который подают потенциал, абсолютная величина которого относительно заземленного провода обмотки, лежит в диапазоне (2÷5) кВ, необходимо для того, чтобы частицы пропиточной смеси электростатически зарядить. Эта зарядка частиц пропиточной смеси осуществляется индукционным способом [4], за счет соприкосновения частиц пропиточного состава с высоковольтным электродом. Зарядка частиц пропиточного состава преследует две цели: во-первых, электростатически заряженная струя пропиточного состава становится более управляемой и ее, под действием электромагнитного поля проще изгибать, вращать и вибрировать, чем без электростатической зарядки, используя только магнитные свойства пропиточного состава. Во-вторых, электростатически заряженные частицы пропиточного состава, протекая через полости обмотки, более эффективно взаимодействуют с поверхностью оголенного провода в дефектных местах изоляции обмоточных проводов, что способствует более эффективному скрытию пленкой пропиточного состава этих упомянутых дефектных мест. Это, в свою очередь, приводит к повышению качества обмоток и к повышению их показателей надежности и долговечности.

Выбор значения потенциала на электроде в диапазоне (2÷5) кВ, обусловлен следующими соображениями. Эффективность электростатической зарядки частиц пропиточного состава тем выше, чем больше потенциал на высоковольтном электроде, с которым эти частицы соприкасаются. Однако если подавать на высоковольтный электрод потенциал выше 5 кВ, то это может привести к пробою зазора между электродом и обмоткой, что может вызвать ряд нежелательных последствий.

При потенциале на электроде менее 2 кВ, эффективность электростатической зарядки части пропиточной смеси резко снижается, что снижает эффективность пропитки.

Следующим отличительным признаком заявляемого способа является то, что при пропитке для вращения струи вдоль лобовой части обмотки на выходе из сопла на струю воздействуют вращающимся электромагнитным полем, напряженность которого направлена перпендикулярно оси струи, причем амплитуду упомянутой напряженности магнитного поля изменяют по гармоническому закону, добиваясь того, чтобы конец струи пропиточной смеси, падающей на разогретую лобовую часть обмотки описывал траекторию $$x^2+y^2=R^2+\frac{L^2}{4}+RL\left[\cos \left(kwt\right)\right],$$ где х, y - координаты горизонтальной плоскости лобовой части обмотки, R - средний радиус лобовой части обмотки, L - ширина лобовой части обмотки, k - количество колебаний, совершаемых струей поперек лобовой части обмотки при одном обороте вращающегося магнитного поля, w - угловая скорость вращения вращающегося магнитного поля, t - время, при этом угловую скорость вращения магнитного поля задают в диапазоне (1<w<3) об/мин, а количество колебаний, совершаемых струей поперек лобовой части задают в диапазоне 10<k<12.

Эта операция преследует несколько целей. Во-первых, под воздействием вращающегося магнитного поля, напряженность которого в любой момент времени направлена перпендикулярно оси струи, струя пропиточного состава изгибается и в изогнутом состоянии вращается, обеспечивая полив одной из лобовых частей пропитываемой обмотки. Это позволяет исключить из процесса пропитки энергоемкие, шумящие, ненадежные электромеханические узлы пропиточной установки, вращающие магнитный сердечник совместно с пропитываемой обмоткой, под падающей на лобовую часть обмотки струей пропиточного состава. Во-вторых, упомянутый закон изменения вращающегося электромагнитного поля, обеспечивает более равномерный полив лобовой части пропитываемой обмотки, чем это можно сделать при использовании электромеханических вращательных устройств.

Рассмотрим этот процесс подробнее. Будем рассматривать лобовую часть обмотки в плоскости ХУ (см. фиг.2). Если обозначить через R радиус окружности, проходящей через середину лобовой части обмотки, а через L-ширину лобовой части обмотки, то для того, чтобы конец падающей струи пропиточного состава описывал траекторию средней окружности лобовой части обмотки, необходимо, чтобы координаты х и у падающей струи пропиточного состава изменялись по закону:

$$x=R\text{ sin(wt)}\text{,y}=\text{R cos(wt) (9)}$$ .

Возведем левую и правую части выражений (9) в квадрат и, сложив их, получим уравнение окружности

$${х}^2+{у}^2=R^2\text{ (10)}$$ .

Следовательно, если вращающееся электромагнитное поле изменять по гармоническому закону, описываемому уравнениями (9), то мы сможем обеспечить полив лобовой части обмотки только по средней окружности радиуса R лобовой части. Такой закон вращения струи не позволит обеспечить равномерный полив всей лобовой части пропитываемой обмотки, что может привести к снижению эффективности пропитки. Для того, чтобы обеспечить более равномерный полив лобовой части обмотки, изогнутую струю пропиточного состава не только нужно вращать вдоль средней окружности ее лобовой части, но и вибрировать этой струей поперек лобовой части обмотки. При этом амплитуда вибраций струи не должна превышать половину ширины лобовой части L. Так как если амплитуда вибраций струи будет больше величины L/2, то струя пропиточного состава будет выходить за пределы лобовой части и заливать магнитный сердечник, что приведет к необходимости очистки упомянутого сердечника от прилипшего к нему пропиточного состава, и кроме того, это приведет к неоправданным затратам пропиточного состава. Однако амплитуда вибраций струи не должна быть значительно меньше величины L/2, так как это снизив равномерность полива струей пропиточного состава лобовой части обмотки. Поэтому оптимальной будет такая вибрация струи, при которой амплитуда вибраций будет равна L/2.

Чтобы происходило вращение струи, и одновременная ее вибрация поперек лобовой части, необходимо, чтобы электромагнитное поле воздействующего на струю пропиточного состава изменялось по закону:

$$x=R\sin (wt)+\frac{L}{2}+\sin (kwt);y=R\cos (wt)+\frac{L}{2}\cos (kwt);\text{ (11)}$$ .

Возведя левые и правые части выражений (11) в квадрат, получим

$$x^2=R^2{\sin }^{2}wt+RL\sin (wt)\sin (kwt)+\frac{L^2}{4}{\sin }^2(kwt);\text{ (12)}$$

$$y^2=R^2{\cos }^{2}wt+RL\cos (wt)\cos (kwt)+\frac{L^2}{4}{\cos }^2(kwt);\text{ (13)}$$

Сложим левые и правые части выражений (12) и (13), получим.

$$\begin{array}{l}{x}^2+y^2=R^2{\sin }^{2}wt+\frac{L^2}{4}{\sin }^2(kwt)+R^2\cos wt+\frac{{\text{L}}^{\text{2}}}{\text{4}}{\cos }^2\left(kwt\right)+RL\left[\sin (wt)\sin (kwt)+\cos (wt)\cos (kwt)\right]\\ =R^2+\frac{L^2}{4}+RL\left[\sin (wt)\sin (kwt)+\cos (wt)\cos (kwt)\right]=R^2+\frac{L^2}{4}+RL\left[\cos (wt-kwt)\right]=R^2\\ +\frac{L^2}{4}+RL\left[\cos wt(1-k)\right]\text{( 14)}\end{array}$$

Для того, чтобы обеспечить равномерный полив лобовой части обмотки струей пропиточного состава необходимо, чтобы при одном обороте струи вдоль лобовой части обмотки, было совершено к вибрационных колебаний струи, при этом должно быть значительно больше 1. Так как k>>1, то можно записать:

$$x^2+y^2=R^2+\frac{{\text{L}}^{\text{2}}}{\text{4}}+RL\left\{\cos \left[wt(1-k)\right]\right\}=R^2+\frac{L^2}{4}+RL\left[\cos (kwt)\right]\text{ (1 5)}$$ .

Таким образом, электромагнитное поле, воздействующее на струю пропиточного состава, должно изменяться по закону:

$$x^2+y^2=R^2+\frac{L^2}{4}+RL\left[\cos (kwt)\right]\text{ (1 6)}$$ .

Угловую скорость w вращения струи определяют исходя из следующих условий. С одной стороны, угловая скорость должна быть такой достаточно медленной, для того, чтобы лак попавший на поверхность лобовой части за время одного оборота струи успел впитаться с поверхности лобовой части в поры и капилляры обмотки. С другой стороны, чем больше угловая скорость обмотки, тем быстрее может быть завершена пропитка обмотки, этим двум условиям удовлетворяет угловая скорость, лежащая в диапазоне (1<w<3) об/мин.

Частота вибрирования струей пропиточного состава, определяется величиной к в выражении (16). При выборе величины к следует исходить из следующих соображений. Чем больше к, тем выше частота вибраций и выше равномерность полива лобовой части обмотки пропиточным составом. Однако из-за большой инерции струи при высоких значениях величины к струя может не успевать реагировать на изменения магнитного поля, что может привести к уменьшению амплитуды вибраций, и как следствие этого, ухудшить равномерность полива пропиточным составом лобовой части обмотки. Было установлено, что оптимальная величина к, удовлетворяющая указанным выше требованиям, должна лежать в диапазоне 10<k<12.

Следующим отличительным признаком заявляемого способа является постоянное взвешивание, в процессе пропитки массы пропиточной смеси m_i, проникшей в полости и капилляры каждой i-й пропитываемой обмотки, весоизмерительным преобразователем, и при достижении равенства массы пропиточной смеси m_c в пропитываемой обмотке и массы m_c пропиточной смеси, которую можно разместить в полостях однотипных обмоток в процессе пропитки, прекращают полив компаунда на верхнюю лобовую часть обмотки.

Эта операция в заявляемом способе необходима для того, чтобы, во-первых, осуществлять непрерывный контроль наиболее важного показателя качества пропитки- привеса пропиточного состава в каждой обмотке, определяющего коэффициент пропитки, а во-вторых, для того, чтобы в заявляемом способе обеспечить стабильный и максимально возможный при данном способе пропитки, коэффициент пропитки.

После завершения операции пропитки провода обмотки отсоединяют от земли, и через них к обмотке вновь подводят греющий ток, разогревают обмотку до (160-165)°C и осуществляют окончательное компаундирование проникшей в обмотку пропиточной смеси.

Операция отключения провода от земли и подвода к ней греющего тока, необходима для того, чтобы, во-первых, предотвратить вытекание пропиточной смеси из обмотки, и во-вторых, для разогрева обмотки до температуры (160-165)°C. Процесс вытекания пропиточного состава из полостей обмотки прекращается сразу же, после подачи на провод обмотки греющего тока, по причине, указанной выше.

Разогрев обмотки до температуры (160-165)°C необходим, в соответствии с установленным технологическим регламентом, для компаундирования пропиточной смеси.

Указанный диапазон температур обусловлен тем, что в последнее время широко применяют термореактивные составы без растворителя, вводимые в обмотку с помощью струйного метода. Время на технологический процесс при использовании современных термореактивных составов без растворителей определяется продолжительностью нагревания обмотки до заданной температуры, а также скоростью полимеризации состава, который, как правило, быстро полимеризуется. Для полимеризации пропиточного состава используется, в основном, токовый метод нагревания обмоток, что резко сокращает длительность и трудоемкость процессов. В автоматических установках различного типа для пропитки составами без растворителей пропитка и сушка обычно выполняются за 15-18 мин.

Пропитку по заявляемому способу можно проводить на устройстве, представленном на фиг.1. Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии высоковольтный источник 11 и электромагнитные катушки 14, 15, 16 отключены. На высоковольтный электрод 17 высокое напряжение не поступает. Пропиточный состав 4 из сопла 2 не поступает. Пропитываемая обмотка, всыпанная в пазы магнитного сердечника 18, устанавливается на тензодатчики 8 и 9 и взвешивается, и измеренный вес принимается за нулевой отчет. Расчетная масса пропиточного состава m_c введена в память блока управления 6. Контакты КМ2.2, КМ2.3, КМ2.4 нормально разомкнуты. Нажатием кнопки 5 и запускают блок управления 6, и в нем срабатывают магнитный пускатель, который замыкает контакт КМ2.1, подключая к проводам обмотки трехфазное напряжения. Непропитанная обмотка начинает разогреваться, и температура обмотки непрерывно измеряется термоизмерителем 10. При достижении температурой обмотки заданного значения, лежащего в диапазоне 80-90°C, блок управления выдает команду, по которой размыкается контакт КМ2.1, отключая обмотку от трехфазного напряжения, а контакты КМ2.2, КМ2.3, КМ2.4 замыкаются, подсоединяя провода обмотки к земле. Одновременно с этим по команде из блока управления 6 контакт K1.1 и контакт КМ1.1 замыкаются, включая высоковольтный источник 11, и подавая питающее напряжение на катушки 14, 15, 16, создающие вращающееся магнитное поле. На высоковольтный электрод 17 от источника высокого напряжения 11 подается заданный высоковольтный потенциал, лежащий в диапазоне 2-5 кВ. Частицы пропиточного состава, соприкасаясь с высоковольтным электродом 17 электростатически заряжаются, и, выходя из сопла 2, преобразуются в электростатически заряженную струю 1 пропиточного состава. Струя пропиточного состава, помимо электростатического заряда, обладает еще и магнитными свойствами, за счет введения в пропиточный состав ферромагнитных никель-цинковых частиц. За счет электростатической зарядки струи и ее магнитных свойств, она, проходя в магнитном поле катушек 14, 15, 16, изменяющимся по закону, описываемому выражением (16), изгибается, и в изогнутом состоянии вращается по радиусу R (см. фиг.2, А), совершая поперечные колебания вдоль лобовой части 3 обмотки с амплитудой L/2 (см. фиг.2, Б). Происходит пропитка обмотки. Привес ее непрерывно измеряется в весоизмерительном преобразователе 12 и его значение передается в блок управления 6. При достижении значения привеса величины m_c в блоке управления вырабатывается команда, по которой размыкаются контакты К 1.1, КМ1.1, КМ2.2, КМ2.3, КМ2.4, а контакты КМ2.1 замыкаются. По этой команде отключается высоковольтный источник 11 и электромагнитные катушки 14, 15, 16. Пропиточный состав перестает поступать из сопла 2 на лобовую часть 3 обмотки. К проводам обмотки вновь подключается трехфазное напряжение и по ним начинает протекать греющий обмотку ток. Вытекание пропиточного состава из обмотки, через лобовую часть 6 прекращается. Начинается процесс разогрева обмотки до температуры компаундирования пропиточного состава, лежащей в диапазоне (160-165)°C. При достижении указанной температуры, в течение заданного времени 4-5 минут, происходит компаундирование пропиточного состава и в блок управления 6 формирует команду, по которой вся пропиточная установка приходит в исходное состояние. Пример конкретного выполнения.

По способу-прототипу и по заявляемому способу и пропитывали по 5 обмоток электродвигателей серии 4А112М4. Пропитка всех пяти обмоток по способу-прототипу осуществлялась компаундом КП-34. Пропитка по заявляемому способу осуществлялась пропиточным составом с добавкой в него мелкодисперсного ферромагнитный наполнителя, в качестве которого был взят никель-цинковый феррит марки 400 НН, который предварительно был дезинтегрирован до размера частиц 5-10 мкм. Смешивали пропиточный состав с измельченным ферромагнитным наполнителем в соотношении мас.%: 10%-ферромагнитных частиц, 90%- пропиточного состава. Используя обмоточные данные электродвигателя 4А112М (площадь паза S_п-8,8×10^-6 м²; длина полувитка обмотки l_w=0,572 м; коэффициент заполнения паза Кз=0,678; количество пазов в статоре р=36) рассчитывали объем полостей V₀ в обмотке, по формуле (6)

$$V_0=S{l}_w(1-\frac{p}{4}Kз)\times \frac{p}{2}=S{l}_w(1-\frac{p}{4}Кз)\times \frac{p}{2}=\mathrm{8,8}\times {10}^{-5}\times \mathrm{0,572}(1-\mathrm{0,53223})\times 18=\mathrm{0,00042382}{м}^3.$$

По формуле (7) определяли предельную массу жидкого пропиточного состава m_0ж, которую можно разместить в полостях обмотки

m_0ж=d_ж V₀=0,00042382×1570=0,665 кг, где d_ж=1570 кг/м³.

Рассчитывали величину m_c по формуле (8), взяв коэффициент 0,9.

m_c=0,9 m_0ж=0,665×0,9=0,599 г.

Эту массу m_c закладывали в память блока управления 5.

Пропитку по заявляемому способу проводили на установке представленной на фиг.1. Процесс пропитки по заявляемому способу описан выше, при рассмотрении работы устройства. Предварительный разогрев всех обмоток перед пропиткой осуществляли до температуры 90°C. В заявляемом способе угловая скорость вращения магнитного поля была равна w=3 об/мин, а количество колебаний k, совершаемых струей поперек лобовой части задавали равным k=12. Температуру компаундирования пропиточного состава, во всех обмотках поддерживали равной 162°C.

По завершению пропитки определяли коэффициент пропитки каждой из обмоток. Результаты контроля коэффициентов пропитки приведены в таблице 1.

Таблица 1 Значения коэффициентов пропитки По способу-прототипу По заявляемому способу № Кпр № Кпр 1 0,28 1 0,48 2 0,34 2 0,48 3 0,33 3 0,48 4 0,26 4 0,47 5 0,35 5 0,47   Кпр. ср.=0,31 5 Кпр. ср.=0,48

Как следует из таблицы 1, заявляемый способ по сравнению со способом-прототипом позволяет в среднем в 1,55 раз повысит коэффициент пропитки обмоток, и существенно повысить стабильность их значений от обмотки к обмотке.

Источники информации

1. А.с. №1820453 (СССР). Способ капиллярной пропитки обмоток электрических машин / Г.В. Смирнов. - Опубл. в БИ, 07.06.93. Бюл. №21.

2. СССР №1312692. Способ пропитки многовитковой электрической машины» / Смирнов Г.В., Хабаров М.В., Елеушов А.Д. - Опубл. 23.05.87. Бюл. №19. (прототип).

3. Г.В. Смирнов. Надежность изоляции обмоток электротехнических изделий. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 1990, стр.96, формула 3.3.

4. Электротехнический справочник. В 3-х т. Т.3. Кн.2. Использование электрической энергии / Под общ. ред. профессоров МЭИ В.Г. Герасимова, П.Г. Грудинского, Л.А. Жукова и др. - 6-е изд., испр. и доп. - М.: Энергоиздат, 1982, стр.228.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано, например, в производстве статоров электрических машин. Способ пропитки многовитковой обмотки электрической машины заключается в подаче на лобовые части обмотки тонкой струи пропиточного состава из сопла на нагретую лобовую часть обмотки и во вращении струи вдоль лобовой части обмотки. Перед пропиткой в пропиточный состав добавляют мелкодисперсный ферромагнитный наполнитель, который предварительно дезинтегрируют. Смешивают пропиточный состав с измельченным ферромагнитным наполнителем, перемешивают полученную смесь и заливают ее в пропиточную установку. Перед пропиткой по обмоточным данным рассчитывают предельную массу пропиточной смеси m_пр, которую можно разместить в полостях каждой из однотипных обмоток в процессе пропитки. Вводят в сопло электрод и подают на него потенциал, осуществляют процесс пропитки каждой из однотипных обмоток. В процессе пропитки частицы пропиточной смеси компаунда с мелкодисперсным ферромагнитным порошком электростатически заряжают, формируют струю. Осуществляют окончательное компаундирование проникшей в обмотку пропиточной смеси. Заявляемый способ позволяет в среднем в 1,55 раз повысит коэффициент пропитки обмоток и существенно повысить стабильность их значений от обмотки к обмотке. 2 ил., 1 табл.

Способ струйной пропитки обмоток электрических машин, заключающийся в подаче тонкой струи пропиточного состава из сопла на нагретую лобовую часть обмотки и во вращении струи вдоль лобовой части обмотки, отличающийся тем, что перед пропиткой в пропиточный компаунд добавляют мелкодисперсный ферромагнитный наполнитель, который предварительно дезинтегрируют до размера не более 10 мкм, смешивают пропиточный состав с измельченным ферромагнитным наполнителем в соотношении, мас.%: (10÷5) ферромагнитных частиц, (90÷85) пропиточного состава, перемешивают полученную смесь, и заливают ее в пропиточную установку, причем предварительно перед пропиткой рассчитывают предельную массу пропиточной смеси m_пр, которую можно разместить в полостях каждой из однотипных обмоток в процессе пропитки, задают эту массу m_пр в весоизмерительном преобразователе, после чего непропитанную обмотку с магнитным сердечником устанавливают на тензодатчики весоизмерительного преобразователя, взвешивают ее совместно с магнитным сердечником, и измеренный вес непропитанной обмотки с магнитным сердечником принимают за нулевой отсчет, для чего в весоизмерительном преобразователе обнуляют показания веса непропитанной обмотки с магнитным сердечником, затем через выходные клеммы провода обмотки подводят к ней греющий ток, которым разогревают ее до температуры 80÷90°С, после чего греющий ток отключают от обмотки, а провод пропитываемой обмотки заземляют, вводят в сопло электрод и подают на него потенциал, абсолютная величина которого, относительно заземленного провода обмотки, лежит в диапазоне (2÷5) кВ, и осуществляют процесс пропитки каждой из однотипных обмоток, при этом в процессе пропитки частицы пропиточной смеси компаунда с мелкодисперсным ферромагнитным порошком электростатически заряжают, путем пропускания частиц пропиточной смеси вдоль упомянутого электрода, формируют струю, пропуская электростатически заряженные частицы указанной пропиточной смеси через сопло, и на выходе из сопла струю изгибают и вращают, причем для вращения струи вдоль лобовой части обмотки, на струю воздействуют вращающимся электромагнитным полем, напряженность которого направлена перпендикулярно оси струи, причем амплитуду упомянутой напряженности магнитного поля изменяют по гармоническому закону, добиваясь того, чтобы конец струи пропиточной смеси, падающей на разогретую лобовую часть обмотки, описывал $$x^2+y^2=R+\frac{L^2}{4}+RL\left[\cos \left(kwt\right)\right]$$ , где х, y - координаты горизонтальной плоскости лобовой части обмотки, R - средний радиус лобовой части обмотки, L - ширина лобовой части обмотки, k - количество колебаний, совершаемых струей поперек лобовой части обмотки при одном обороте вращающегося магнитного поля, w - угловая скорость вращения вращающегося магнитного поля, t - время, при этом угловую скорость вращения w магнитного поля задают в диапазоне (1÷3) об/мин, а количество колебаний k, совершаемых струей поперек лобовой части задают в диапазоне (10÷12), при этом в процессе пропитки непрерывно взвешивают весоизмерительным преобразователем массу пропиточной смеси m_c, проникшей в полости и капилляры каждой пропитываемой обмотки, и при достижении равенства массы пропиточной смеси m_c в пропитываемой обмотке и массы m_пр пропиточной смеси, которую можно разместить в полостях однотипных обмоток в процессе пропитки, прекращают полив компаунда на верхнюю лобовую часть обмотки, провода обмотки отсоединяют от земли, и через них к обмотке вновь подводят греющий ток, которым разогревают обмотку до температуры 160-165°С, и при упомянутой температуре осуществляют окончательное компаундирование проникшей в обмотку пропиточной смеси.