Способ пропитки обмоток электротехнических изделий

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 вертикальной оси и сушат ее в этом положении [1].

Недостатком указанного способа является низкое качество пропитки, что связано с тем, что капилляры в обмотке имеют разные диаметры, поэтому скорость проникновения в них пропиточного состава, за счет капиллярных сил различна. Высота, на которую поднимается в каждом капилляре пропиточный состав, по той же причине, также различна. Поэтому межвитковые полости обмотки пропитываются неравномерно. Общий коэффициент пропитки К_пр низок и не превышает величины 0,15. Низкий коэффициент пропитки не позволяет достаточно эффективно устранить дефекты в витковой изоляции, что снижает надежность электрических машин. Кроме того, процесс поднятия пропиточного состава происходит медленно, так как на пропиточный состав действуют две противоположно направленные силы: гравитационная, направленная вниз, и капиллярная - направленная вверх. Так как капиллярная сила относительно мала, то и процесс пропитки происходит медленно, что снижает производительность процесса пропитки.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ пропитки обмоток электрических машин, описанный в работе [2]. Сущность способа-прототипа заключается в том, что 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. Отличительной особенностью способа-прототипа 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.

Способ-прототип лишь частично устраняет недостатки указанного выше способа-аналога, за счет того, что к капиллярной силе добавляется электрическая сила. Эта сила возникает за счет того, что под действием разности потенциалов между токопроводящим элементом, на который установлена погруженная лобовая часть обмотки и электродом, установленным на непогруженную часть обмотки, на частички пропиточного состава начинает оказывать влияние электрическое поле, созданное этой разностью потенциалов. Частички пропиточного состава поляризуются и приобретают электростатический заряд. Приобретенный частичками электростатический заряд начинает взаимодействовать с электрическим полем, созданным разностью потенциалов. За счет этого возникает тянущая электрическая сила, направленная от погруженной лобовой части к непогруженной лобовой части. Эта сила складывается с капиллярными силами, действующими в обмотке, за счет чего процесс перемещения пропиточного состава по обмотке к непогруженной лобовой части ускоряется. Это приводит к значительному повышению производительности пропитки, более полному заполнению пропиточным составом пор и капилляров обмотки, что повышает ее качество.

Однако в способе-прототипе остаются по-прежнему те же недостатки, что и в способе-аналоге, только эти недостатки несколько уменьшены. Коэффициент пропитки обмотки К_пр, достигнутый по способу-прототипу не превышает величины 0,24, это свидетельствует о том, что 76% полостей обмотки не заполнены пропиточным составом. Процесс пропитки по способу-прототипу по-прежнему остается длительным, и трудоемким.

Кроме того, для реализации способа-прототипа требуется прикладывать между электропроводящим элементом, на котором установлена погруженная часть обмотки и электродом, установленным на непогруженную часть обмотки высокое напряжение, что требует особых мер по технике безопасности.

Техническая задача, на которую направлено настоящее изобретение, заключается в повышении производительности пропитки путем повышения скорости прохождения пропиточного состава по капиллярам обмотки, увеличения проникающей способности пропиточного состава вглубь обмотки, и повышение качества обмотки, за счет увеличения коэффициента пропитки, и более эффективного устранения дефектных участков изоляции провода обмотки.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в способе 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 погружения лобовой части обмотки в пропиточный состав в нем одновременно возбуждаются двумя источниками радиальные и продольные колебания, причем радиальные колебания создают ультразвуковым излучателем в низкочастотном диапазоне ультразвука, частота которого лежит выше частоты порога кавитации в диапазоне от 20 кГц до 100 кГц, а интенсивность упомянутого ультразвука лежит в области стабильной кавитации от 1,5 Вт/см² до 2,5 Вт/см², а продольные, колебания создаются звуковым излучателем и лежат диапазоне от 8 кГц до 10 кГц.

Сущность изобретения заключается в следующем.

При капиллярной пропитке ее качество определяется лишь капиллярным эффектом, при помощи которого пропиточный состав по порам и капиллярам, имеющимся в межвитковых и прикорпусных полостях обмотки. Капиллярный эффект зависит от размера пор, материала пор и их состояния, от материала проводов обмотки и корпусной изоляции, от температуры и давления, химического состава пропиточного состава, его вязкости и многих других факторов. При прочих равных условиях капиллярный эффект можно существенно усилить, если в пропиточном составе возбуждать радиальные ультразвуковые колебания. Это возникает за счет того, что радиальная ультразвуковая волна направлена вдоль межвитковых полостей обмотки (от нижней лобовой части пропитываемой обмотки, которая погружена в ванну с пропиточным составом, к ее верхней лобовой части, находящейся вне пропиточного состава).

Поперечные звуковые колебания в пропиточном составе возбуждают для того, чтобы возбудить низкочастотные колебания витков обмотки относительно друг друга, что создает некоторое подобия всасывающего насоса.

По своей физической природе ультразвук представляет собой упругие волны и в этом он не отличается от звука.

Принято считать, что к ультразвуковому диапазону относятся частоты, находящиеся в диапазоне от 20 кГц до 1ГГц. Частоты, находящиеся в диапазоне от 16 кГц до 20 кГц, относятся к слышимому звуку.

Частоты, лежащие ниже 16 кГц, относятся к инфразвуку, а частоты, лежащие выше 1 ГГц, называют гиперзвуком.

Область частот ультразвука можно подразделить на три подобласти:

ультразвук низких частот (2×10⁴-10⁵ Гц) - УНЧ;

ультразвук средних частот (10⁵-10⁷ Гц) - УСЧ;

ультразвук высоких частот (10⁷-10⁹ Гц) - УЗВЧ.

В жидких средах под действием ультразвука возникает и протекает специфический физический процесс - ультразвуковая кавитация, обеспечивающий максимальные энергетические воздействия на пропиточный состав.

В ультразвуковой волне во время полупериодов разрежения возникают кавитационные пузырьки, которые резко захлопываются после перехода в область повышенного давления, порождая сильные гидродинамические возмущения в пропиточном составе, за счет чего значительно усиливается эффект проникновения пропиточного состава в межвитковые поры и капилляры.

Кавитация производится за счет чередующихся волн высокого и низкого давления, образуемых звуком высокой частоты (ультразвуком).

Ультразвуковая кавитация - основной инициатор физико-химических процессов, возникающих в жидкости под действием ультразвука, и в частности капиллярных процессов в межвитковых полостях пропитываемых обмоток.

Кавитационные явления в той или иной среде возникают только при превышении ультразвуком порога кавитации.

Порогом кавитации называется интенсивность ультразвука, ниже которой не наблюдаются кавитационные явления. Порог кавитации зависит от параметров, характеризующих как ультразвук, так и саму жидкость.

Для воды и водных растворов пороги кавитации возрастают с увеличением частоты ультразвука и уменьшением времени воздействия.

При частотах выше 20 кГц порог нестабильной кавитации находится в диапазоне от 0,3 Вт/см² до 1 Вт/см².

Дальнейшее повышение интенсивности до 1,5 Вт/см² приводит к нарушению линейности колебаний стенок пузырьков. Начинается стадия стабильной кавитации. Диапазон интенсивностей стабильной кавитации лежит в области от 1,5 Вт/см² до 2,5 Вт/см². Пузырек сам становится источником ультразвука колебаний. На его поверхности возникают волны, микротоки, электрические разряды.

Увеличение интенсивности ультразвука за величину 2,5 Вт/см² приводит вновь к стадии нестабильной кавитации. Она характеризуется образованием быстрорастущих парогазовых пузырьков, которые в фазу сжатия мгновенно сокращаются в объеме и схлопываются, т.е. наступает коллапс.

Наилучшая пропитка обмоток электрических машин возникает в диапазоне стабильной кавитации, возникающей в области низких частот. Поэтому активировать пропиточный состав лучше всего ультразвуком низких частот. Выбор этого диапазона частот обусловлен следующими факторами.

Во-первых, частота 20 кГц принята за нижнюю границу возникновения ультразвуковых колебаний. При частотах ниже 20 кГц находится область слышимого звука, и процессы кавитации в этой области не наблюдаются.

Во-вторых в низкочастотной области, лежащей в от 20 кГц до 100 кГц, диапазон интенсивностей ультразвука, в котором наблюдается стабильная кавитация, как это указывалось выше, лежит в области от 1,5 Вт/см² до 2,5 Вт/см².

Область частот, лежащая выше 100 кГц, относится к области средних частот ультразвука. В этой области частот могут возникнуть ряд явлений, которые будут отрицательно сказываться на процессе пропитки. В частности, в этой области частот могут происходить структурные изменения в элементах обмотки, которые могут привести к снижению качества пропитываемого изделия. В этой области частот при определенной интенсивности ультразвука может возникнуть эффект фонтанирования струи активированной жидкости, что также может вызвать нежелательные явления при пропитке. Кроме того, для обеспечения стабильной кавитации в области средних частот, требуются более мощные излучатели ультразвука, чем для создания упомянутой области в диапазоне низких частот. Это обусловлено тем, что порог кавитации возрастает с увеличением частоты ультразвука. Необходимость применения более мощных излучателей в области средних частот, по сравнению с мощностью излучателей в области низких частот, приводит к усложнению и к удорожанию конструкции пропиточных установок.

Явления в кавитационном поле приводят к ряду как полезных явлений в процессе пропитки обмоток.

Во-первых, при воздействии на пропиточный состав ультразвуком в составе возникают знакопеременное звуковое давление, способствующее проникновению жидкости в поры и капилляры обмоток, а также в пропиточном составе возникают быстрые течения: звуковой ветер, кавитация. Интенсификация процесса пропитки, и сопутствующего ей коэффициента диффузии пропиточного состава зависят от значений амплитуды и частоты вынужденных колебаний жидкости. Процесс кавитации, приводит к возрастанию в несколько раз капиллярного эффекта, что способствует интенсификации технологического процесса пропитки, и более глубокому проникновению пропиточного состава в межвитковые и прикорпусные полости обмотки, что в значительной мере повышает качество пропитки обмоток.

Во-вторых, процесс кавитации, приводит к активному очищению поверхности элементов обмотки (эмалевой изоляции проводов, корпусной изоляции и т.д.) от технологических загрязнений, что способствует более эффективному скрытию пропиточным составом дефектов в витковой и корпусной изоляции, что повышает надежность обмоток.

В-третьих, ультразвуковые колебания обеспечивают сверхтонкое диспергирование частиц пропиточного состава (не реализуемое другими способами), увеличивая межфазную поверхность реагирующих элементов. Таков один из механизмов интенсификации процессов в жидких средах.

В-четвертых, локальное температурное повышение в пропиточном составе под воздействием ультразвука, снижает вязкость пропиточного состава и также улучшает качество пропитки.

Воздействие УЗ с частотой 20-100 кГц характеризуется разделением молекул и ионов с различной массой, искажением формы волны, появлением переменного электрического поля, капиллярно-акустическим и тепловым эффектами, активацией диффузии пропиточного состава в полости обмоток.

При возникновении ультразвукового переменного давления (±5×10⁵ Па) в пропиточном составе, попавшим в межвитковые капилляры обмоток, создаются колебательные тангенциальные смещения пропиточного состава вдоль стенок капилляров, которые переходят в однонаправленное движение раствора вглубь обмотки.

Таким образом, при использовании ультразвука как средства интенсификации процесса пропитки обмоток электрических машин существенное значение имеют микропульсации пропиточного состава, в особенности, если длина волны равна или меньше линейных размеров пор и капилляров в обмотке.

Создание инфразвуковых продольных колебаний в пропиточном составе обусловлена следующими причинами.

Создаваемые инфразвуковые продольные колебания в пропиточном составе обеспечивает колебания витков в обмотке относительно друг друга. За счет вибраций зазор во всех участках обмотки между витками непрерывно изменяется от нуля до некоторого значения, обусловленного конструктивными особенностями обмотки. В результате динамического изменения зазора пропиточный состав проникает во все части обмотки, поэтому глубина проникновения пропиточного состава в обмотке и вероятность устранения дефектов в витковой и корпусной изоляции обмоток в процессе пропитки существенно возрастает.

Наибольшие колебания витков обмотки друг относительно друга можно обеспечить на резонансных частотах витков. Резонансные частоты витков обмоток различны и зависят от конструкции и размеров обмоток. Поэтому следует производить непрерывные изменения частот, каждая из которых действует избирательно на определенные группы витков. Для этих целей диапазон 0,5 кГц-10 кГц является наилучшим, так как резонансные колебания витков обмоток разнообразных электротехнических намоточных изделии лежат в указанном диапазоне частот. Непрерывное, плавное и циклическое изменение частот обеспечивает в обмотке переходной режим, при котором витки колеблются в разнообразных фазах друг относительно друга, что обеспечивает лучшие условия для проникновения пропиточного состава во все участки обмотки. Это приводит к более полному покрытию пленкой пропиточного состава дефектных участков и к более высоким значениям степени заполнения полостей в обмотке пропиточным составом.

Возбуждение в пропиточном составе ультразвуковых радиальных колебаний и инфразвуковых продольных колебаний позволяет получить совокупный технический эффект, который выражается в заметном повышении скорости и качества пропитки.

Пример конкретного выполнения. По предлагаемому способу пропитывались обмотки 5 статоров электродвигателя МВТ-2. Пропитка обмоток осуществлялась лаком МЛ-92. Перед погружением лобовой части пропитываемой обмотки, обмотки и лак МЛ-92 были разогреты до температуры пропитки Ti=90°C. После погружения одной лобовой части обмотки в пропиточный состав в пропиточном составе возбуждались радиальные ультразвуковые колебания, частота которых лежала выше частоты порога кавитации в диапазоне низких частот от 20 кГц до 100 кГц, а интенсивность упомянутого ультразвука лежала в области стабильной кавитации от 1,5 Вт/см² до 2,5 Вт/см².

При конкретной реализации заявляемого способа для возбуждения радиальных ультразвуковых колебаний в пропиточном составе был использован индустриальный звуковой процессор «Hielscher Ultrasound Technology UP» марки UIP 1000 hd [3], частота которого составляла 20 кГц, а интенсивность упомянутого ультразвука лежала в области стабильной кавитации и равнялась 2 Вт/см².

Для создания продольных инфразвуковых колебаний был использован функциональный генератор /ФГ-100/ [4]

Генератор звуковой частоты ФГ-100 предназначен для получения гармонических и периодических напряжений треугольной и прямоугольной формы от 0,1 Гц до 100 кГц. Генератор сигналов низкой частоты формирует одновременно три вида сигналов: прямоугольного, треугольного и синусоидального напряжений и обеспечивает выбор любого из перечисленных сигналов и диапазонов частоты. Точная частота генерации обеспечивается за счет создания соответствующего управляющего напряжения на выходе в пределах от 0 до 10 В на нагрузке 8 Ом.

С помощью генератора, при пропитке обмоток статоров электродвигателя МВТ-2, в пропиточном составе возбуждали продольные инфразвуковые волны, которые непрерывно и плавно изменяли от частоты 0,5 кГц до частоты 10 кГц, причем указанные частоты изменяли циклично от 0,5 кГц до 10 кГц и обратно, от 10 кГц до 0,5 кГц. Генератор обеспечивал плавное и циклическое изменение частоты вибрации витков обмотки. Период развертки частоты выбирают так, чтобы за время пропитки осуществлялось 3-4 полных цикла изменения частоты вибрации. На генераторе сигналов устанавливали верхнюю и нижнюю границы частот в пределах выбранного диапазона 0,5 кГц-10 кГц и осуществляли пуск автоматической развертки частоты по заданному закону.

Пропиточный состав на непогруженной лобовой части пропитываемых обмоток появлялся через 2-2,5 минуты после начала пропитки. После появления пропиточного состава на не погруженной лобовой части пропитываемых обмоток они извлекались из пропиточного состава и сушилась при T₁=90°C в течение 45 мин и при T₂=120°C в течение 5 ч.

Для сравнения с результатами, полученными по заявляемому способу, со способом-прототипом, было также пропитано 5 статорных обмоток электродвигателя МВТ-2 по способу-прототипу. Пропиточный состав на непогруженной лобовой части пропитываемых по способу-прототипу обмоток появлялся через 4-5 минут после начала пропитки. После появления пропиточного состава на не погруженной лобовой части пропитываемых по способу-прототипу обмоток они извлекались из пропиточного состава и сушилась при T₁=90°C в течение 45 мин и при Т₂=120°C в течение 5 ч.

Все пропитываемые обмотки взвешивались до пропитки и после нее, и по разнице весов в каждой пропитываемой обмотке определялся коэффициент пропитки.

Результаты, полученные по заявляемому способу и по способу-прототипу, приведены в таблице.

Результаты проведенных испытаний, приведенные в таблице, позволяют сделать следующие выводы.

Заявляемый способ по сравнению со способом- прототипом позволил:

- повысить производительность пропитки в 2-2,5 раз;

- обеспечить стабильность качества пропитки, так как разброс коэффициентов пропитки по заявляемому способу существенно ниже разброса коэффициентов пропитки по способу-прототипу;

- повысить коэффициент пропитки в среднем в 1,7 раза.

Источники информации

1. Рыжов A.M., Наумов С.А., Урусов З.А. Технология пропитки и сушки электрических машин малой мощности. М.: Информэлектро, 1990, с.44. Электротехническая промышленность. Серия 25. Технология электротехнического производства. Обзорная информация. Вып.20.

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

3. Inquiry from http://www.hielscher.com.

4. http://td-school.ru/index.php?page=99.

Способ пропитки обмоток электрических машин, при котором обмотку и пропиточный состав разогревают до температуры пропитки, погружают одну из лобовых частей обмотки в пропиточный состав, после появления пропиточного состава на другой лобовой части обмотки извлекают обмотку из состава и сушат ее, отличающийся тем, что при погружении лобовой части обмотки в ванну с пропиточным составом в пропиточном составе ванны одновременно возбуждаются радиальные и продольные колебания, причем радиальные колебания создают ультразвуковым излучателем в низкочастотном диапазоне ультразвука, частота которого лежит выше частоты порога кавитации в диапазоне от 20 кГц до 100 кГц, а интенсивность упомянутого ультразвука лежит в области стабильной кавитации от 1,5 Вт/см² до 2,5 Вт/см², а продольные колебания создаются инфразвуковым излучателем и изменяются непрерывно и циклически в диапазоне частот от 0,5 кГц до 10 кГц и обратно.