СПОСОБ ИЗОЛИРОВКИ ПАЗОВ МАГНИТНЫХ СЕРДЕЧНИКОВ ЯКОРЕЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ Российский патент 2016 года по МПК H02K15/85 

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 укладке коробов в пазы и последующем размещении 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 якорец - 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 перемещаются 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 - С₄Н₁₀О₂ - (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 $$t=\frac{cd}{kj}$$ , 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 мин при температуре 380-390°С.

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°С 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, 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 $$t=\frac{cd}{kj}$$ , где с - 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, причем процесс нанесения слоя эмальизоляции осуществляют используя электрофоретический состав, состоящий из следующих компонентов, в мас.ч.:

полиглицероэтилентерефталатная смола 46,0÷48,0 45-50%-ный раствор полибутилтитаната в ксилоле 1,4÷1,7 диэтиленгликоль 0,1÷5,0 ксиленол 51,6÷53,0 сольвент 9,3÷19,0 диоксан (С₄Н₈О₂) 64÷70 этилцеллозольв С₄Н₁₀О₂ 20÷22 1%-ный нашатырный спирт 1% - NH₄OH 22÷24 нанотрубки из нитрида бора 10÷12

причем предварительно осуществляют приготовление указанного электрофоретического состава в лаковарочном аппарате, снабженном рубашкой для обогрева и дисковой мешалкой, в который загружают указанную выше смесь растворителей (ксиленол, сольвент, этилцеллозольв), полибутилтитанат, диэтиленгликоль смолу ТС-1 и белые нанотрубки из нитрида бора, разогревают содержимое до 100÷110°С и производят постоянное перемешивание до полного растворения смолы в течение 1÷1,5 ч, остужают приготовленную смесь до 40°С÷50°С, добавляют в нее диоксан, 1%-ный нашатырный спирт, продолжая перемешивание полученной смеси в течение 0,5÷1,0 ч, после чего фильтруют полученный электрофоретический состав и переливают в эластичный цилиндрический диэлектрический стакан, герметически охватывающий наружную поверхность магнитного сердечника якоря 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.

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.

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

Электроосаждение как метод получения лакокрасочных покрытий нашло 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 вещества 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 вещества, 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 вещества, рН (кислотности) и температуры состава. Поскольку единой теории электрофореза нет, то поиск составов, обладающих электрофоретическими свойствами, и отработка режимов электрофореза осуществляется экспериментально.

Выявление оптимального компонентного соотношения в электрофоретическом составе осуществляли экспериментальным путем, с применением теории планирования эксперимента. Было выявлено, что процесс электроосаждения пазовой изоляции можно реализовать при следующих отношениях компонентов электрофоретического состава, состоящего из следующих компонентов, в мас.ч.:

полиглицероэтилентерефталатная смола 46,0÷48,0 45-50%-ный раствор полибутилтитаната в ксилоле 1,4÷1,7; диэтиленгликоль 0,1÷5,0; ксиленол 51,6÷53,0 сольвент 9,3÷19,0 диоксан (С₄Н₈О₂) 64÷70 этилцеллозольв С₄Н₁₀О₂ 20÷22 1%-ный нашатырный спирт 1% - NH₄OH 22÷24 нанотрубки из нитрида бора 10÷12

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 вещества 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, $$q=J\times t(2)$$ , где k - выход сухого остатка пленкообразующего вещества 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: $$t=\frac{d\times c}{k\times j}(7)$$ .

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 вещества в пазы магнитного сердечника, но и создает дополнительные положительные эффекты: повышает выход пленкообразующего вещества по току, что приводит к ускорению процесса изолировки магнитного сердечника, и, кроме того, осажденная в магнитном поле изоляционная пленка 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 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×K. Низкая теплопроводность пазовой изоляции, роль которой в прототипе выполняет электроосажденная 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 пазовой 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 к возрастанию вероятности отказа обмотки, к снижению ее надежности и долговечности.

В заявляемом способе существенное повышение теплопроводности пазовой изоляции якорей происходит за счет того, что в электрофоретический состав добавлены нанотрубки из титаната бария, которые в технической литературе называют «белыми нанотрубками».

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 высокой теплопроводностью, на 4 порядка превышающую теплопроводность λ=3000 Вт/м×К эмалевой пленки, полученной из обычного лака [5, 6].

Приготовление указанного электрофоретического состава осуществляют в лаковарочном аппарате, снабженном рубашкой для обогрева и дисковой мешалкой, в который загружают указанную выше смесь растворителей (ксиленол, сольвент, этилцеллозольв), полибутилтитанат, диэтиленгликоль смолу ТС-1 и белые нанотрубки из нитрида бора, разогревают содержимое до (100÷110)°С и производят постоянное перемешивание до полного растворения смолы в течение 1,2 часа.

Выбор диапазона температур 100÷110°С разогрева указанной выше смеси обусловлен следующими соображениями. С одной стороны, чем выше температура, тем более интенсивно и равномерно по объему происходит растворение и разбавление смолы ТС-1 и распределение нанотрубок из титаната бария. С другой стороны, температуру нельзя повышать выше температуры кипения входящих в состав компонентов. Значения температуры кипения входящих в состав компонентов следующие: у ксилола - 138,3÷144,4°С; у сольвента 120÷190°С; у этиленгликоля 245°С, у этилцеллозольва - 136÷138°С. Поэтому диапазон разогрева смеси, равный 100÷110°С, с одной стороны, достаточно высок, а с другой - он ниже температуры кипения входящих в состав компонентов. Непрерывное помешивание состава в течение 1÷1,5 часов установлено эмпирически и необходимо для равномерного распределения компонентов состава по объему.

По истечению указанного времени остужают приготовленную смесь до (40÷50)°С, добавляют в нее диоксан, 1%-ный нашатырный спирт, продолжая перемешивание полученной смеси в течение 0,5÷1,0 ч, после чего фильтруют полученный электрофоретический состав и переливают в эластичный цилиндрический диэлектрический стакан, герметически охватывающий наружную поверхность магнитного сердечника якоря.

Остужение указанной выше смеси до температуры 40÷50°С обусловлено тем, что температура кипения диоксана равна 101,4°С, нашатырного спирта - (78,15÷78,39)°С. Именно эти 2 компонента придают составу электрофоретические свойства и от точности их дозировки зависят режимы осаждения пленок и их качество. Поэтому диапазон температур выбран из условия исключения вскипания указанных компонентов и их интенсивного испарения в процессе перемешивания состава. Эмпирически установлено, что диапазон 40÷50°С и время 0,5÷1,0 ч является оптимальным, обеспечивающим получение качественного электрофоретического состава.

Выбор диапазона объемного содержания в составе наполнителя из белых нанотрубок нитрида бора был обусловлен следующими соображениями. При концентрации белых нанотрубок нитрида бора ниже, чем 10 массовых частей, снижается теплопроводность электрофоретически осажденных пленок, а при концентрациях выше 12 объемных процента резко снижается рассеивающая способность электрофоретического состава. Для обоснования выбора указанного диапазона концентрации нанотрубок из нитрида бора были проведены эксперименты. Сущность этих экспериментов заключалась в следующем. Две пластины из 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, указанным выше. Компонентное содержание состава и их количественное содержание в составе оставалось неизменным, а изменялось лишь массовая часть нанотрубок из титаната бария.

В состав всыпали порошок нанотрубок из нитрида бора и от опыта к опыту последовательно увеличивали его концентрацию от 1 до 14 массовых частей. 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) мин при температуре (380÷390)°С, а две другие - по заявляемому способу в вакуумном термошкафу, где создавали разрежение (30÷40) Торр и при температуре (40÷50)°С сушили осажденную на поверхность пластин пленку в течение 3÷5 мин. Затем повышали температуру в термошкафу до (380÷390)°С и запекали диэлектрическую пленку в течение 2-3 мин. Исследования теплопроводности электрофоретически осажденных пленок проводили на приборе LFA447 при температуре 25°С. 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 определялось 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 составе 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. Исследования показали, что при увеличении объемного содержания в электрофоретическом составе нанотрубок из нитрида бора теплопроводность до концентраций 10 мас.ч. растет практически прямо пропорционально увеличению концентрации нанотрубок. Теплопроводность пленок увеличивается пропорционально концентрации и при превышении последней 10 мас.ч., 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.

Таблица 1 Параметры По прототипу По заявляемому способу 1 вес.ч. нитрида бора 6 вес.ч. нитрида бора 12 вес.ч. нитрида бора 14 вес.ч. нитрида бора Толщина пленки, мкм 30 30 31 30 31 Теплопроводность, Вт/м×K 0,2 0,21 0,41 0,52 0,54 Среднее пробивное напряжение, кВ 6 7,2 7,4 7,2 5,8 Рассеивающая способность 1 1 1 1 0,7

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. При увеличении концентрации нанотрубок за 12 мас.ч. снижается рассеивающая способность состава. В частности, при концентрации в электрофоретическом составе нанотрубок из нитрида бора равной 14 вес.ч., 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 массовых частей нанотрубок за 14 рассеивающая способность электрофоретического состава снижается. Снижение рассеивающей способности приводит к тому, что пленка, осажденная в разные участки проводов, будет иметь 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)°С 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 разрежение 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°С. При разрежении в 50 Торр вода начинает кипеть при сравнительно низкой температуре, равной 30°С. Растворитель, поскольку его температура кипения на (20÷40)°С выше температуры кипения воды, при разрежении (40÷50) Торр начинает кипеть при температуре (40÷50)°С. 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)°С. 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 удаление растворителя из осажденных на поверхность пазов диэлектрических пленок при температуре (40÷50)°С и разрежение в (40÷50) Торр происходит в течение 3-5 мин. По истечении этого времени температуру в печи поднимают до 380÷390°С и проводят окончательную сушку в течение 2-3 мин.

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 в 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 соответствующим 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 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.

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 мас.ч.:

полиглицероэтилентерефталатная смола 47 45-50%-ный раствор полибутилтитаната в ксилоле 1,6 диэтиленгликоль 2,5 ксиленол 52 сольвент 14 этилцеллозольв С₄Н₁₀О₂ 21 диоксан (С₄Н₈О₂) 66 11%-ный нашатырный спирт 1% - NH₄OH 23 нанотрубки из нитрида бора 11

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 на пазы магнитного сердечника 1 статора. Для того чтобы обеспечить плотность 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=36 S₁+2 S₂+(Sт-36 Sп - 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 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=p×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;

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

S=36 S₁+2 S₂+(Sт-36 Sп-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:

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

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 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.

$$t=\frac{cd}{kj}=\frac{25\times {10}^{-6}\times \mathrm{2,5}\times {10}^3}{60\times \mathrm{9,87}\times {10}^{-6}}=\mathrm{105,5}c\cong \mathrm{1,8}мин.$$

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°С сушили осажденную на поверхность пазов пленку в течение 4 мин, затем повышали температуру в термошкафу до 385°С и запекали диэлектрическую пленку в течение 2,5 мин. Испытание 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 якорей электродвигателя АИР71 В8 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.

5. http://postnauka.ru/faq/39530.

6. 101b.html

Изобретение относится к электротехнике, в частности к способам изолировки пазов якорей электродвигателей. В заявляемом способе изолировки пазов магнитных сердечников якорей микродвигателей электрофоретический состав дополнительно содержит белые нанотрубки из нитрида бора. 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°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. Техническим результатом является повышение теплопроводности пленок в среднем в 2÷2,6 раза, а среднего пробивного напряжения на 20%. 3 ил., 1 табл.

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, 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 , где с - 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, отличающийся тем, что процесс нанесения слоя эмальизоляции осуществляют используя электрофоретический состав, состоящий из следующих компонентов, в мас.ч.:

причем предварительно осуществляют приготовление указанного электрофоретического состава в лаковарочном аппарате, снабженном рубашкой для обогрева и дисковой мешалкой, в который загружают указанную выше смесь растворителей (ксиленол, сольвент, этилцеллозольв), полибутилтитанат, диэтиленгликоль смолу ТС-1 и белые нанотрубки из нитрида бора, разогревают содержимое до 100÷110°С и производят постоянное перемешивание до полного растворения смолы в течение 1÷1,5 ч, остужают приготовленную смесь до 40÷50°С, добавляют в нее диоксан, 1%-ный нашатырный спирт, продолжая перемешивание полученной смеси в течение 0,5÷1,0 ч, после чего фильтруют полученный электрофоретический состав и переливают в эластичный цилиндрический диэлектрический стакан, герметически охватывающий наружную поверхность магнитного сердечника якоря, 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.