СПОСОБ ИЗОЛИРОВКИ ПАЗОВ МАГНИТНЫХ СЕРДЕЧНИКОВ СТАТОРОВ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ Российский патент 2014 года по МПК H02K15/85 

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

Известен способ изготовления пазовой изоляции магнитных сердечников статоров, заключающийся в том, что по размерам паза магнитного сердечника статора электродвигателя определяют размеры заготовок пазовой коробочки, и, используя формовочное приспособление придают необходимую форму пазовой коробке, после чего укладывают заготовки в пазы [1].

Недостаток такого способа изготовления пазовой изоляции магнитных сердечников электродвигателей заключается в том, что при укладке коробов в пазы магнитных сердечников статоров электродвигателей и последующем размещении в пазах обмотки электродвигателя между обмоткой, корпусной изоляцией и магнитным сердечником образуются два воздушных зазора: один - между обмоткой и пазовой изоляцией, а другой - и 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.

Известен также 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-прототип 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 перемещаются к противоположно заряженному изделию - магнитному сердечнику статора 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-прототипа 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. 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.

Техническая задача, на которую направлено настоящее изобретение, состоит в повышении производительности технологии изолировки пазов, в повышении качества пазовой изоляции и статоров электродвигателей, и в упрощении способа.

Задача решается тем, что в способе изолировки пазов магнитных сердечников статоров микродвигателей, основанном на том, что частицам электроизоляционного материала придают электрический заряд и осаждают их в пазы под действием электрического поля, всю поверхность магнитного сердечника, за исключением пазов, закрывают герметическим диэлектрическим кожухом, выполненным из эластичного агрессивно-устойчивого материала, размещают магнитный сердечник с упомянутым кожухом в сосуд, в который заливают электрофоретический состав, состоящий из следующих компонентов, % по объему:

лак ПЭ-939 марки В 29÷30 1% - нашатырный спирт 1%-NH₄OH 11,0÷12,0 диоксан (C₄H₈O₂) остальное,

закрывают сосуд крышкой, подводят к торцам магнитного сердечника два электрода, выдерживая расстояние в 10-20 мм от торца магнитного сердечника, 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 j, лежащих в диапазоне 2-10 мА/см² проводят электрофоретическое осаждение пленкообразующего вещества, в течение времени, определяемого из выражения $$t=\frac{cd}{kj}$$ , где с - плотность эмали, кг/м³; d - толщина пазовой изоляции, м; k - выход сухого остатка по току, кг/А·с, 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 минут при температуре 380-390°С.

На фиг.1 представлена схема реализации заявляемого способа. На фиг.2 схематически изображен торец магнитного сердечника. Фиг.1 и фиг.2 служат для пояснения сущности изобретения.

На фиг.1 и 2 введены следующие обозначения: 1 - магнитный сердечник; 2 - пазы; 3 - кожух; 4 - диэлектрические стойки; 5 - сосуд; 6 - электрофоретический состав; 7 - крышка; 8 - электрод; 9- источник постоянного напряжения; 10 - изолятор; 11 - амперметр.

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, процесс изолировки лентой весьма затруднен, поэтому изолировку таких электродвигателей осуществляют вручную, то приводит к низкой производительности труда.

Недостатки способа-прототипа указаны выше. Нами же, для устранения недостатков аналогов и способа-прототипа предлагается использовать электрофоретическое осаждение изоляционной пленки в пазы магнитного сердечника статоров с последующей запечкой этой пленки.

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 (анофорез), и электроосаждение на катоде, или катодное осаждение (катофорез).

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, рН (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°С) или классу Н (180°С) 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 использование для изолировки пазов магнитных сердечников статоров электродвигателей класса F (155°С) или класса Н (180°С) целесообразно 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 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, % по объему:

лак ПЭ-939 марки В 29÷30 1% - нашатырный спирт 1%-NH₄OH 11÷12 диоксан (С₄H₈O₂) остальное.

Электрофоретическое осаждение пленкообразующего 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 j 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: $$m=kq\left(\text{1}\right)$$ .

В свою очередь, $$q=J\cdot t\left(\text{2}\right)$$ ,

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: $$m=kJt\left(\text{3}\right)$$ .

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

$$J=jS\left(\text{4}\right)$$ ,

где S - площадь магнитного сердечника, на которую осаждают пленку, м².

Подставив выражение (4) в выражение (3) получим: $$m=kS\text{jt }\left(\text{5}\right)$$ .

С другой стороны, массу m эмалевой пленки площади S магнитного сердечника можно определить по формуле: т=с V=с Sd (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: $$t=\frac{d\times c}{k\times j}\text{ (7)}\text{.}$$

Пример конкретного выполнения.

По заявляемому способу производили изолировку пазов магнитного сердечника статора АИР71В8, по номинальной мощности Рн=0,25 кВт. Число полюсов, 2р=8. Технические данные двигателя приведены ниже. Размеры сердечника статора:

а) наружный диаметр, Da=116,00 мм

б) внутренний диаметр, Di=78,00 мм

в) длина, L1=80,00 мм

г) число зубцов (пазов), Z1=36 Паз статора:

а) паз полуовальный

б) полная высота паза, h=12,40 мм

в) меньшая ширина паза, В1=4,00 мм

г) большая ширина паза, В2=5,40 мм

д) ширина шлица, m=1,90 мм

е) высота шлица, 1=0,60 мм

ОБМОТОЧНЫЕ ДАННЫЕ:

Число эффективных проводников в пазу, S_П=133

Число элементарных проводников в одном эффективном, Nэл=1

Число параллельных ветвей, а=1

Диаметр голого провода, Dгол=0,40 мм

Диаметр изолированного провода, Dиз=0,45 мм

Марка провода - ПЭТВ-2 или ПЭТВ-М

Класс изоляции - "В"

Размеры и материалы изоляции и выводов -

КОРОБКА ПАЗОВАЯ:

Лавитерм (заменитель - Синтофлекс 515 или пленка полиэтилентерефталатная ПЭТ-Э), толщина d_из=0,25 мм.

КРЫШКА-КЛИН: те же материалы S=0,35 мм.

Вид обмотки - однослойная с дробным “q”

Коэффициент заполнения паза, Кз=0,65.

Всю поверхность магнитного сердечника, за исключением пазов (фиг.1 и фиг.2, позиция 2), закрывали герметическим диэлектрическим кожухом (фиг.1 и фиг.2 позиция 3), выполненным из маслостойкой резины «Эластосил R 502/80».

Устанавливали торцевой частью магнитный сердечник 1 с герметическим диэлектрическим кожухом 3 на диэлектрические стойки 4 на дно сосуда 5 (фиг.1), выполненного из нержавеющей стали. Размещали магнитный сердечник 1 с герметическим диэлектрическим кожухом 3 в сосуд 5 (фиг.1), выполненный из нержавеющей стали, в который заливали электрофоретический состав 6, состоящий из следующих компонентов, %:

лак ПЭ-939 марки В 29,5 1% - нашатырный спирт 1%-NH₄OH 11,5 диоксан (C₄H₈O₂) остальное.

К торцам магнитного сердечника подводили два электрода, стальной электрод 8, закрепленный в крышке 7, и второй электрод, которым служило дно сосуда 5.

Расстояние δ от торцов магнитного сердечника до электрода 8 и дна сосуда 5, выбирали в диапазоне 10-20 мм. Выбор этого диапазона расстояний обусловлен следующими причинами. При расстоянии δ от торцов магнитного сердечника до электродов, меньшем, 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.

Закрывали сосуд 5 стальной крышкой 7 с плоским стальным электродом 8. Вторым электродом служило дно сосуда 5. Подводят к торцам магнитного сердечника два электрода, выдерживая расстояние δ в 10-20 мм от торца магнитного сердечника.

На магнитный сердечник 1 подавали положительный потенциал от источника постоянного напряжения 9, через изолятор 10, а на электрод и сосуд 5, дно которого служило вторым электродом, подавали отрицательный потенциал от упомянутого источника постоянного напряжения, и при плотности тока j=6 мА/см² проводили электрофоретическое осаждение пленкообразующего вещества в пазы магнитного сердечника 1 статора. Для того, чтобы обеспечить плотность тока электрофореза j=6 мА/см поступали следующим образом. Исходя из размеров магнитного сердечника статора электродвигателя АИР71В8, рассчитывали площадь одного паза S1

S₁=П×L₁,

где П - периметр паза,

П=π×В₂/2+2(h-В₂/2)+(B₁-m)+1=3,14×2,7+2(12,4-2,7)+2,1+0,6=30,578 мм=3,0578 см,

S=n×L₁=3,0578×8=24,4624 см².

Общая площадь всех n=36 пазов будет равна

S=n×S₁=880,6 см².

Общий ток электрофореза, необходимый для реализации электроосаждения в пазы равен I=j×S=6×880,6=5283,6 м/А≈5,3 А.

При подключении источника постоянного напряжения 9 между магнитным сердечником 1, электродом 8 и корпусом сосуда 5 измеряли амперметром 11 ток электрофореза I, и напряжение на источнике постоянного напряжения изменяли до тех пор, пока ток электрофореза I не принимал значения 5,3 А. Значение I=5,3 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:

$$t=\frac{cd}{kj}$$ .

Толщину изоляционной пленки d задавали, исходя из среднестатистического пробивного напряжения пленки полиэтилентерефталатной ПЭТ-Э, толщиной d_из=0,25 мм, используемой при типовой технологии изготовления пазовой изоляции, которое оказалось равным 4,5 кВ. Для того, чтобы изготавливаемая нами пазовая изоляция 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 электрофореза пленка толщиной d=30 мкм =30×l0^-6м.

Исходя из заданной толщины эмальизоляции 30·10^-6 м, плотности эмали с=2,5·10³ кг/м³, выхода сухого остатка по току k=8,33·10^-6 кг/м², плотности тока j=6 мА/см²=6·10^-3·10⁴=60 А/м² определяли время t электрофореза.

$$t=\frac{cd}{kj}=\frac{30\cdot {10}^{-6}\cdot \mathrm{2,5}\cdot {10}^3}{60\cdot \mathrm{8,33}\cdot {10}^{-6}}=150с=\mathrm{2,5}мин.$$

Осажденную в пазы магнитного сердечника статора пленку подвергали термообработке в течение 4,5 минут при температуре 385°С.

Осаждение эпоксидного порошка при способе-прототипе в пазы магнитного сердечника статора АИР71В8 осуществлялось за 8 циклов, каждый из которых составлял 30 мин. Общая продолжительность процесса изолировки пазов одного двигателя составляла 4 часа. Полученный слой изоляционной пленки пазовой изоляции из эпоксидного порошка составлял 0,2 мм. Среднестатистическое пробивное напряжение составляло 4,3 кВ. Адгезия пленки, полученной по заявляемому способу, и ее механические характеристики практически на порядок превышали адгезию и механические характеристики пленки, полученной по способу-прототипу.

В заявляемом способе исключена необходимость использования высокого напряжения, что существенно упрощает его по сравнению со способом-прототипом.

Таким образом, изолировка пазов магнитных сердечников статоров электродвигателя АИР71В8 по заявляемому способу позволила, при толщине изоляционной пленки пазовой изоляции практически на порядок более тонкой, чем толщина пленки пазовой изоляции, получаемой по способу-прототипу, получить в 1,4 раза более высокое пробивное напряжение, чем пробивное напряжение пленки, получаемой по способу- прототипу, получить более высокие, практически на порядок, адгезионные и механические характеристики, и снизить трудоемкость изолировки в 40 раз.

Список используемой литературы:

1) -0-191.

2) прототип.

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. Техническим результатом является получение более высоких адгезионных и механических характеристик и снижение трудоемкости. 2 ил.

Способ изолировки пазов магнитных сердечников статоров электродвигателей, основанный на придании частицам электроизоляционного материала электрического заряда, осаждении их на поверхность пазов, отличающийся тем, что всю поверхность магнитного сердечника за исключением пазов закрывают герметическим диэлектрическим кожухом, выполненным из эластичного агрессивно-устойчивого материала, размещают магнитный сердечник с упомянутым кожухом в сосуд, в который заливают электрофоретический состав, состоящий из следующих компонентов, в процентах по объему:
лак ПЭ-939 марки В 29÷30 1% - нашатырный спирт 1%-NH₄OH 11÷12 диоксан (C₄H₈O₂) остальное,

закрывают сосуд крышкой, подводят к торцам магнитного сердечника два электрода, выдерживая расстояние в 10-20 мм от торца магнитного сердечника, 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 течение времени, определяемого из выражения $$t=\frac{pd}{kj}$$ , где ρ - плотность эмали, кг/м³; d - толщина пазовой изоляции, м; k - выход сухого остатка по току, кг/А·с; j - плотность тока электрофореза, мА/см², 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.