Методическое пособие 364

21

характеристик). Известно, что скорость старения изоляции резко возрастает при превышении допустимых значений температуры, многократном воздействии испытательного напряжения и др.

Известно, что первостепенное значение имеют диэлектрические свойства изоляции. Они должны быть в процессе производства сохранены или приобретены. Режимы технологического процесса должны решать эти задачи с минимальными разбросами достигаемых параметров. Так, одним из наиболее распространенных воздействий на изоляцию в процессе производства является термическое воздействие. Изоляция подвергается также воздействиям механических сил, химически активных веществ, иногда - радиоактивных излучений и др.

Разнообразие требований, предъявляемых к изоляции обмоток, а также их различное назначение привели к тому, что в электромашиностроении применяется широкая номенклатура электроизоляционных материалов. По технологическим признакам их удобно объединить в отдельные группы.

Волокнистые натуральные материалы из целлюлозы, хлопка, натурального или искусственного шелка, представленные в чистом виде или пропитанные специальными лаками или компаундами.

Синтетические органические, фторорганические или кремнийорганические материалы в виде пленок, волокон, ткани как в чистом виде, так и пропитанные лаками или компаундами.

Материалы на основе минеральных компонентов,

таких как слюда, стекло, асбест в виде волокон, лент или тканей. Они также могут быть пропитаны клеящими кремнийорганическими лаками, неорганическими или элементоорганическими составами.

Пропиточные и покровные материалы в виде лаков, смол, компаундов и эмалей, в том числе с органическими, синтетическими и минеральными наполнителями. При этом

22

некоторые компаунды (полиамиды, полиуретаны и т.п.) позволяют получать сложные по конфигурации и достаточно точные по размерам изоляционные детали, что упрощает конструкцию и повышает еѐ производственную технологичность. Добавление к ним наполнителей позволяет получать пластмассы, по механической прочности, термостабильности, долговечности и другим свойствам не уступающим традиционным конструкционным материалам.

Чрезвычайно широк набор сортаментов большинства указанных материалов. Это - волокна (в комковатом и упорядоченном виде), ткани (в виде лент различной толщины и ширины, тканого полотнища без пропитки и с пропиткой лаком), трубки, пленки, пластины, прутки и др. Широкое распространение в обмотках электрических машин получили композиционные изоляционные материалы. Например, коллекторный и формовочный миканиты, стекломикаленты и микафолии, пленкоэлектрокартоны и т.п. Выбор того или иного материала, его сортамента зависит от условий изготовления и эксплуатации элементов изоляции, от способов их изготовления.

Традиционно в электромашиностроении применяется два основных способа выполнения изоляционных элементов:

гильзовая и непрерывная изоляция.

Гильзовая изоляция в наиболее общем виде может быть представлена различного рода изоляционными деталями, которые предварительно изготовляются, а затем - сопрягаются с отдельными участками катушки, магнитопровода или корпусных деталей. Типичным представителем этого типа изоляции является пазовая гильза, откуда и произошло обобщающее название. К таким же деталям можно отнести межслойные пазовые прокладки, межфазную изоляцию и дистанционные прокладки лобовых частей, пазовые клинья, каркасы полюсных катушек, изоляционные пластины торцов магнитопровода, обмоткодержателей и др.

23

Пазовая гильза изолирует активную часть обмотки от стенок паза магнитопровода. Еѐ конструкция и технология изготовления и монтажа зависит от габарита машины, формы паза, применяемых материалов. На рис. 9 показано для примера устройство пазовой гильзы, содержащей все необходимые элементы для случаев полузакрытого и открытого пазов. На рисунке видно, что пазовая коробочка (1) изолирует обмотку относительно стенок паза. После укладки проводников коробочку закрывают с перекрытием краѐв и поверху располагают пазовый клин (3).

Если обмотка двухслойная, то между слоями размещают полоску межслойной изоляции (2) с отогнутыми краями. В случае же выполнения катушек жесткими их пазовые части изолируются дополнительно пазовыми коробочками (4), которые одновременно служат и межслойной изоляцией.

В общем случае пазовая коробочка выполняется многослойной. В качестве главного изолирующего слоя обычно используется изоляционная пленка, лакоткань или другой материал с требуемыми диэлектрическими свойствами. Однако такие материалы в большинстве случаев не обладают

достаточной механической прочностью, что приводит часто к 24

Рис.9. Гильзовая изоляция в пазах: а) полузакрытом; в) открытом

24

повреждению на острых неровностях стенок паза или же к смятию при закладке в паз проводников. Поэтому долгое время с внешней и внутренней сторон изоляционного слоя размещали прокладки из прессшпана (электрокартона), которые и воспринимали на себя механическую нагрузку.

Позже, с целью увеличения коэффициента заполнения

мощности, асинхронных электродвигателей единой серии 4А и

25

электродвигателей изготовление подобных пазовых гильз и их закладка в пазы магнитопровода статора выполняется специальными пазоизолировочными полуавтоматами /3,5,10/.

В производстве электрических машин малой мощности практикуется прием изолировки всех пазов одной непрерывной лентой. Магнитопровод якоря коллекторной машины, пазы которого изолированы этим способом, представлен на рис.11. Пазы показанного магнитопровода изолированы последовательно, один за другим, одной непрерывной лентой 2. После заполнения пазов проводниками обмотки ленту разрезают по кронкам зубцов и пазы закрывают, как было

соприкосновения проводников с острыми краями стали на выходе паза (торцы магнитопровода показаны пунктирными линиями). Более того, с увеличением мощности машины выше 400 600 Вт возникает необходимость увеличить механическую прочность гильзы на еѐ краях, так как при формовке лобовых частей обмотки они испытывают значительную нагрузку. Проще всего эта задача решается путем отбортовки заготовки гильзы еще до ее закладки в паз. В результате выступающие края

гильзы приобретают двойную толщину. Одновременно отбортовка предотвращает осевое смещение гильзы при заполнении паза.

26

В электрических машинах распространен и другой способ выполнения изоляции - непрерывная. Чаще она применяется в машинах с напряжением от 1000В и выше. Изолируемый участок витка или катушки, при этом обматывают специальной изоляционной лентой. Лента накладывается виток за витком,

толщиной ленты и классом напряжения машины.

Различают несколько способов наложения непрерывной изоляции: вразбежку, встык и внахлест.

Наложение ленты “вразбежку” характерно тем, что между соседними витками ленты образуется зазор “с” (Рис.

используется только для механической стяжки проводов и т.п. Лента будет уложена “встык”, если выполнить условие

с = 0, что также не может обеспечить надежной электрической изоляции (Рис. 14). Здесь существует большая вероятность пробоя в месте стыка витков ленты (пробой по поверхности).

27

Оплетка “встык” применяется для более прочной стяжки проводов, а также - для создания защитного слоя , защитных

с 0 . При этом каждый последующий виток ленты частично (на 1/3, 1/2 или 2/3) перекрывает предыдущий.

обмотку и другие электрические цепи в машинах с высоким напряжением.

Непрерывная изоляция “внахлест” будет еще надежнее, если каждый последующий слой ленты накладывать с изменением направления намотки.

При механизированном наложении непрерывной изоляции наладочным параметром является угол “ “ между краем ленты и осью провода (см. Рис. 13), который можно олпределить, как

В заключение необходимо обратить внимание на одно неудобство, не позволяющее порой обеспечить равномерный слой непрерывной изоляции. Действительно, при изолировке

28

искривленных участков катушки на внутренней стороне участка из-за увеличения перекрытия слой утолщается, а на наружной стороне - утоньшается из-за уменьшения перекрытия.

Качество и надежность электрической изоляции (как гильзовой, так и непрерывной) существенно повышается после пропитки изоляционными лаками и компаундами. В электромашиностроении используется широкий спектр таких пропиточных составов, они выбираются в зависимости от конкретных требований к электрической машине и условий еѐ эксплуатации.

5. Технологическая система намоточных станков “катушка - провод - каркас “

Намотку катушек для электрических машин часто выполняют на специальных намоточных станках. Во время выполнения намоточной операции необходимо соблюдать определенные режимы намотки. К ним относятся в основном:

натяжение провода “f” - растягивающая сила, приложенная к проводу в процессе наматывания;

скорость наматывания “v” - средняя линейная скорость движения провода в точке набегания его на каркас (шаблон);

Поддержание режимов намотки на оптимальном уровне является важным условием обеспечения качества обмотки. Эта задача решается набором устройств, которыми оборудован намоточный станок. Набор и конкретные параметры этих устройств зависят от того, какие обмотки нужно изготавливать, из какого провода, какая при этом используется изоляция и др. Комплект устройств намоточного станка составляет его технологическую систему “катушка - провод - каркас”, сокращенно - КПК. При этом под катушкой понимается тарная катушка, с которой сматывается обмоточный провод, а под каркасом - штатный каркас катушки или технологический

29

шаблон. Согласованное действие этих устройств обеспечивается самим обмоточным проводом, соединяющим во время намотки тарную катушку и каркас (шаблон). На этом пути провод последовательно проходит еще через некоторые устройства, обеспечивающие заданные режимы намотки: задают направление движения провода, величину натяжения, порядок укладки витков и др.

УС НУ Н УР ТШ

Рис. 16. Структурная схема системы КПК: УС - устройство смотки;

НУ - направляющее устройство; Н - устройство натяжения; УР - устройство раскладки;

ТШ - технологический шаблон.

Система КПК условно может быть представлена в виде структурной схемы, показанной на рис.16. Запас провода, необходимого для намотки, в виде заполненной тарной катушки или бухты размещают на устройстве смотки (УС). Далее провод с помощью направляющих устройств (НУ) движется по тракту станка к технологическому шаблону (ТШ). На этом пути провод проходит через устройство регулирования натяжения (Н) и устройство раскладки (УР). Отдельные практически разобщенные технологические устройства намоточного станка объединяются в единый комплекс обмоточным проводом (показано стрелками). Именно эта связь и обеспечивает слаженную, согласованную работу всех элементов намоточного станка.

Натяжение провода в процессе наматывания является основным технологическим фактором, определяющим качество и производительность намоточных работ. Различают максимально- и минимально-допустимые натяжения а также его оптимальное значение.

31

где: fc - натяжение в точке схода провода с тарной катушки; fб - натяжение в баллонирующей части провода в

устройстве смотки;

fну - натяжение, обусловленное направляющими

дополнительное натяжение, создаваемое устройством регулирования натяжения;

fш - натяжение, вызванное ускоренным движением провода из-за отличия формы шаблона от цилиндрической.

Сила fc вызвана, с одной стороны, шероховатостью кромки щечек тарной катушки, а с другой - провалами (западанием) витков провода верхнего ряда между витками нижних рядов (провод на тарных катушках наматывается внавал), перепутыванием витков и др. Кроме того по мере сматывания провода с тарной катушки диаметр остающихся на ней витков уменьшается, что порой приводит к резкому возрастанию fc , а порой - даже к обрыву провода ( характерно для проводов диаметром менее 0,1 мм).

Сила fб возникает в результате вращения петли провода вокруг тарной катушки при осевой смотке. Вращающийся провод испытывает действие центробежных сил, что и обуславливает его дополнительное натяжение.

Сила fну обусловлена трением, которое испытывает провод при движении по элементам направляющих устройств. Одновременно здесь же следует учитывать дополнительные усилия, возникающие в результате изгиба провода при изменении направления движения.

Сила fн создается натяжным устройством системы КПК, предназначенным для регулирования и приближения натяжения провода к оптимальному.

Сила fш практически отсутствует, если шаблон (каркас) имеет цилиндрическую форму. Любые отклонения формы шаблона от цилиндрической при его вращении вызывают изменение скорости движения провода, что сопровождается соответствующими изменениями натяжения провода.

32

Природа всех этих составляющих суммарного натяжения станет более понятной, если подробнее разобраться со строением и функциями устройств системы КПК.

Способ сматывания провода с тарной катушки, который определяется конструкцией устройства смотки, определяющим образом влияет на величину и характер действия усилия fc . В намоточных станках применяют два принципиально различных способа смотки провода с тарной

Одновременно придется увеличивать усилие, требуемое для смотки провода. И второе: на повышенных скоростях смотки все сильнее будет сказываться инерционность тарной катушки, что при v = var приведет к значительным колебаниям натяжения провода, к его периодическому провисанию и далее - обрыву при резком нарастании натяжения. Эти недостатки тангенциальной смотки проявляются особенно сильно, если шаблон имеет сложную конфигурацию и при стремлении повысить скорость намотки. В связи с этим тангенциальный способ смотки может быть рекомендован для намотки катушек с малым числом витков и сравнительно толстым проводом, в

34

тарной катушки 1 (Рис. 19). Вращающаяся петля образует пространственную фигуру, именуемую “баллоном”. Вершина баллона уходит в кольцо 3, являющееся первым элементом направляющего устройства системы КПК. Такое движение провода называют баллонированием, оно оказывает ощутимое влияние на суммарное натяжение провода. Действительно, вращающаяся петля провода испытывает действие центробежного усилия, которое отбрасывает еѐ дальше от катушки. В результате этого петля натягивается с усилием fб - натяжением баллонирования.

Таким образом, баллонирующий провод совершает в пространстве сложное движение: вращение вокруг оси катушки со скоростью “ “ и поступательное движение вдоль собственной оси со скоростью “v”. С увеличением скорости намотки будут соответственно возрастать и угловая и линейная составляющие скорости провода. Рост частоты вращения баллона приведет к увеличению действующей на петлю центробежной силы, что, в свою очередь, вызовет увеличение силы “fб” и диаметра баллона. Отсюда следует, что режим намотки и параметры баллона тесно между собой связаны. Поэтому явление баллонирования провода при осевой смотке требует более глубокого анализа.

Угловая скорость вращения баллонирующего участка провода при осевом сматывании с неподвижной цилиндрической катушки можно вычислить /7/, как:

где: Rк - радиус смоточной катушки.

Образование баллона вызвано действием инерционных сил относительного и переносного движений

35

. В итоге создается определенное натяжение вращающейся части провода. Максимального значения это

натяжение достигает в верхней точке баллона. При увеличении скорости наматывания соответственно возрастают

скорости (относительная и переносная) движения провода в баллоне, увеличивается натяжения провода. Однако, опыт показывает, что при достаточной высоте баллона с

увеличением скорости начинает снижаться его устойчивость. При достижении критического значения скорости изображенный на рис.19 полуволновой баллон скачкообразно меняет свою форму. Новый вид баллона показан на рис.20, где hб - высота баллона. Это - полноволновой баллон, так как его образующая по форме близка к полной волне синусоиды. Полноволновой баллон имеет при той же скорости намотки меньший радиус и, следовательно, меньшее натяжение провода.

Формой, размерами баллона можно в определенной

Рис. 21. Разновидности баллоноограничителей

степени управлять, используя специальные приспособления - баллоноограничители. На рис. 21 для примера показаны

37

Простота конструкции и наладки такого устройства очевидны. Однако, оно не позволяет сглаживать рывки натяжения f провода, обусловленные другими элементами

действием пружины 5 поворачивается по часовой стрелке, что приводит к увеличению угла охвата“ “ и, следовательно, к увеличению натяжения провода. В свою очередь, при нарастании натяжения провода рычаг 3 с роликом 4 , преодолевая усилие пружины 5, поворачивается против часовой стрелки. При этом угол “ “ уменьшается, что и приводит к снижению натяжения провода. Таким образом, достигается стабилизация силы натяжения “f”. Следует признать, что такая конструкция позволяет только частично стабилизировать натяжение провода, так как инерционность рычага 4 с роликом 5 вызывает запаздывание их корректирующего действия. Серьезным недостатком приведенного варианта устройства натяжения является также наличие сухого трения между движущимся проводом 1 и неподвижным диском 2, что может привести к повреждению изоляции провода, особенно – при высоких скоростях намотки.

Указанный недостаток отсутствует в конструкции, схематично представленной на рис. 24. Здесь провод 1 охватывает натяжной ролик 2 полным витком и, двигаясь со скоростью “v”, вращает его без проскальзывания. На общей

39

вправо - с другим. Переключение направления движения каретки осуществляется специальными упорами (на рисунке не показаны), ограничивающими размах движения каретки строго в пределах ширины шаблона 5. Провод 4, проходя через один из проводоводителей каретки 3, укладывается на заданное место шаблона виток за витком, как показано на рисунке. С помощью вариатора подбирается такое передаточное отношение механизма, чтобы на один оборот шаблона 5 перемещение каретки 3 было равно диаметру обмоточного провода. При нарушении этого требования устройство раскладки обеспечит равномерное распределение витков по ширине шаблона, не выдерживая рядности витков.