витки катушки с изоляцией из смолы, не предусматривающие пресс-форм

Формула изобретения

1. Способ изготовления катушки (1) с изоляцией из смолы, в котором катушка (1) армирована волокнами, расположенными на катушке (1) в твердой полимерной матрице (4), причем слой (3) витков и слой (4) волокно/полимер наносят поочередно и неоднократно, нанесение слоя (4) волокно/полимер включает в себя следующие непрерывно выполняемые этапы:

непрерывно подают, по меньшей мере, одну непрерывную ленту (2; 2а, 2b), содержащую волокна и твердую полимерную матрицу, расплавляют или активируют участок, по меньшей мере, одной непрерывной ленты (2; 2а, 2b) во время ее подачи,

прижимают расплавленный или активизированный участок ленты (2; 2а, 2b) к катушке (1) во время ее подачи, и

охлаждают ленту (2; 2а, 2b), когда она перемещается из области нагревания или активирования и прижатия.

2. Способ по п.1, в котором катушка (1) представляет собой катушку (1) трансформатора, в частности сухого распределительного трансформатора или небольшого силового трансформатора.

3. Способ по п.1, в котором:

лента (2) содержит волокна в твердой полимерной матрице и

армированная волокном лента (2) содержит непрерывные волокна, внедренные в квазитвердую полимерную матрицу, в частности смолистую матрицу, находящуюся в В-стадии.

4. Способ по п.1, в котором:

первая непрерывная лента (2а) содержит волокна, а вторая непрерывная лента (2b) содержит матрицу, предпочтительно квазитвердую полимерную матрицу, в частности смолистую матрицу, находящуюся в В-стадии,

обе непрерывные ленты (2а, 2b) наносятся одновременно и поочередно.

5. Способ по любому из пп.1-4, в котором:

смола выбрана из группы, состоящей из эпоксидной смолы, эфира циановой кислоты, полиимида, полиэстра, полипропилена и их комбинации этого, и/или

волокна выбраны из группы, состоящей из стекловолокон, кварцевых волокон, арамидных волокон, волокон Оупета, борных волокон, волокон из оксида алюминия, волокон из карбида кремния, волокон из полибензимидазола, базальтовых волокон и их комбинаций.

6. Способ по любому из пп.1-4, в котором:

слой (4) волокно/полимер непрерывно и/или неоднократно отверждают при нанесении ленты (2; 2а, 2b), и/или

непрерывную ленту (2; 2а, 2b) наносят полностью автоматизировано, в частности используя робот.

7. Способ по любому из пп.1-4, в котором поочередное нанесение слоя (4) волокно/полимер и слоя (3) проводов выполняют полностью автоматизировано, в частности используя робот и предпочтительно одновременно в ходе этапа изготовления.

8. Способ по любому из пп.1-4, в котором после нанесения последнего слоя (4) волокно/полимер катушку (1) отверждают в печи или автоклаве.

9. Способ по любому из пп.1-4, в котором при изготовлении катушку (1) вращают вокруг оси (8) и/или намоточное устройство (la, lb) вращают вокруг катушки (1).

10. Способ по любому из пп.1-4, в котором обмотку (100а) сухого трансформатора, направленную по часовой стрелке, изготавливают посредством вращения намоточной головки (1а) катушки по часовой стрелке вокруг катушки (1), а обмотку (100b) сухого трансформатора, направленную против часовой стрелки, изготавливают посредством вращения намоточной головки (1b) против часовой стрелки вокруг катушки (1), в частности обе намоточные головки (1а, 1b) катушек вращают одновременно.

11. Способ по п.6, в котором поочередное нанесение слоя (4) волокно/полимер и слоя (3) проводов выполняют полностью автоматизировано, в частности используя робот и предпочтительно одновременно в ходе этапа изготовления.

12. Способ по п.5, в котором после нанесения последнего слоя (4) волокно/полимер катушку (1) отверждают в печи или автоклаве.

13. Способ по п.6, в котором при изготовлении катушку (1) вращают вокруг оси (8) и/или намоточное устройство (1а, 1b) вращают вокруг катушки (1).

14. Способ по п.7, в котором при изготовлении катушку (1) вращают вокруг оси (8) и/или намоточное устройство (1а, 1b) вращают вокруг катушки (1).

15. Способ по п.6, в котором обмотку (100а) сухого трансформатора, направленную по часовой стрелке, изготавливают посредством вращения намоточной головки (1а) катушки по часовой стрелке вокруг катушки (1), а обмотку (100b) сухого трансформатора, направленную против часовой стрелки, изготавливают посредством вращения намоточной головки (1b) против часовой стрелки вокруг катушки (1), в частности обе намоточные головки (1а, 1b) катушек вращают одновременно.

16. Способ по п.7, в котором обмотку (100а) сухого трансформатора, направленную по часовой стрелке, изготавливают посредством вращения намоточной головки (1а) катушки по часовой стрелке вокруг катушки (1), а обмотку (100b) сухого трансформатора, направленную против часовой стрелки, изготавливают посредством вращения намоточной головки (1b) против часовой стрелки вокруг катушки (1), в частности обе намоточные головки (la, lb) катушек вращают одновременно.

17. Способ по п.9, в котором обмотку (100а) сухого трансформатора, направленную по часовой стрелке, изготавливают посредством вращения намоточной головки (1а) катушки по часовой стрелке вокруг катушки (1), а обмотку (100b) сухого трансформатора, направленную против часовой стрелки, изготавливают посредством вращения намоточной головки (lb) против часовой стрелки вокруг катушки (1), в частности обе намоточные головки (1а, lb) катушек вращают одновременно.

18. Катушка (1) с изоляцией из смолы, в частности для сухого трансформатора, изготовленная в соответствии со способом по любому из пп.1-17.

19. Трансформатор, в частности распределительный трансформатор или силовой трансформатор, отличающийся тем, что он содержит катушку (1), изготовленную в соответствии со способом по любому из пп.1-17.

20. Устройство (1а, lb), предназначенное для изготовления катушки (1) с изоляцией из смолы, в частности для реализации способа по любому из пп.1-17, в котором катушка (1) содержит чередующиеся слои (3) витков и слои (4) изоляции, включающие в себя волокна и твердую полимерную матрицу (4), содержащее:

средства (9, 10, 11), предназначенные для непрерывной подачи, по меньшей мере, одной ленты (2; 2а, 2b), включающей в себя волокна и твердую полимерную матрицу,

средства (7, 12, 12', 14), предназначенные для локального активирования участка ленты (2; 2а, 2b) во время ее подачи,

средства (5), предназначенные для нанесения активированного участка ленты (2; 2а, 2b) на вращающуюся катушку (1), и

средства, предназначенные для поддержания и вращения (8) катушки (1), и/или средства, предназначенные для вращения в направлении (18, 18'), по меньшей мере, одной намоточной головки (la, lb) устройства вокруг катушки (1) и предназначенные для перемещения ленты (2; 2а, 2b) из области нагревания или активации и прижатия.

21. Устройство (1а, lb) по п.20, содержащее:

средства, предназначенные для нанесения слоев (3) витков на катушку (1), и, в частности средства, предназначенные для электрического соединения соседних слоев (3) витков, и

в частности средства, предназначенные для поочередного нанесения ленты (2; 2а, 2b) и нанесения слоев (3) витков на катушку (1) или

в частности средства, предназначенные для одновременного нанесения ленты (2; 2а, 2b) и слоев (3) витков на катушку (1).

22. Устройство (la, lb) no п.20, в котором изготавливаемая катушка (1) является катушкой (1) трансформатора, в частности сухого распределительного трансформатора или небольшого силового трансформатора.

23. Устройство (1а, lb) по любому из пп.20-22, в котором:

лента (2) является армированной волокном предварительно пропитанной лентой (2), содержащей волокна, в частности, непрерывные волокна, внедренные в квазитвердую смолистую матрицу, такую как смолистая матрица, находящаяся в В-стадии, и лента (2) намотана на шпулю (9), или

первая лента (2а) содержит волокна, а вторая лента (2b) содержит матрицу, предпочтительно квазитвердую полимерную матрицу, в частности, смолистую матрицу, находящуюся в В-стадии, и обе ленты (2а, 2b) намотаны на шпули (9) и наносятся одновременно, предпочтительно поочередно.

24. Устройство (1а, lb) по любому из пп.20-22, содержащее:

средства (9, 10, 11), предназначенные для непрерывной подачи, содержат шпулю (9) с армированной волокном лентой (2) или несколько шпуль (9), содержащих ленту (2а) с волокном и матричную ленту (2b), и содержат валики (10, 11), предназначенные для подачи к вращающейся катушке (1) армированной волокном ленты (2) или ленты (2а) с волокном и матричной ленты (2b) при регулируемом натяжении,

в частности валики (10, 11) содержат тормозной валик (10), ведущие валики и/или упруго размещенные направляющие валики (11).

25. Устройство (la, lb) по любому из пп.20-22, в котором:

средства, предназначенные для активирования, включают в себя нагревательное устройство (7), такое как вентиляторный воздухонагреватель, источник СВЧ-излучения, источник инфракрасного излучения, или лазер; и/или

средства, предназначенные для активирования, включают в себя, по меньшей мере, одно дополнительное нагревательное устройство (12, 12'), предназначенное для повторного расплавления ленты (2; 2а, 2b), недавно нанесенной на поверхность (15) катушки, и/или

средства, предназначенные для активирования, включают в себя, по меньшей мере, одно нетепловое активирующее устройство, такое как источник (14) ультрафиолетового излучения, предназначенное для улучшения отверждения ленты (2; 2а, 2b), недавно нанесенной на поверхности (15) катушки.

26. Устройство (1а, lb) по любому из пп.20-22, содержащее:

средства, предназначенные для поддержания и вращения (8) катушки (1), включают в себя ось (8) вращения, на которой расположена катушка (1), и/или

средства (5, 5', 5''), предназначенные для нанесения расплавленного или активированного участка ленты (2; 2а, 2b) на вращающуюся катушку (1), включают в себя, по меньшей мере, один прижимной валик (5, 5', 5''), предназначенный для прижатия расплавленного или активированного участка ленты (2; 2а, 2b) к катушке (1).

27. Устройство (1a, 1b) по любому из пп.20-22, в котором намоточное устройство содержит две намоточные головки (1а, 1b) витков, одна из которых вращается по часовой стрелке вокруг катушки (1), а другая - против часовой стрелки, и которые предназначены для одновременной намотки по часовой стрелке обмотки (100а) и намотки против часовой стрелки обмотки (100b) трансформатора.

28. Устройство (1a, 1b) по п.24, в котором:

средства, предназначенные для активирования, включают в себя нагревательное устройство (7), такое как вентиляторный воздухонагреватель, источник СВЧ-излучения, источник инфракрасного излучения, или лазер; и/или

средства, предназначенные для активирования, включают в себя, по меньшей мере, одно дополнительное нагревательное устройство (12, 12'), предназначенное для повторного расплавления ленты (2; 2а, 2b), недавно нанесенной на поверхность (15) катушки, и/или

средства, предназначенные для активирования, включают в себя, по меньшей мере, одно нетепловое активирующее устройство, такое как источник (14) ультрафиолетового излучения, предназначенное для улучшения отверждения ленты (2; 2а, 2b), недавно нанесенной на поверхности (15) катушки.

29. Устройство (1а, 1b) по п.24, содержащее:

средства, предназначенные для поддержания и вращения (8) катушки (1), включают в себя ось (8) вращения, на которой расположена катушка (1), и/или

средства (5, 5', 5''), предназначенные для нанесения расплавленного или активированного участка ленты (2; 2а, 2b) на вращающуюся катушку (1), включают в себя, по меньшей мере, один прижимной валик (5, 5', 5''), предназначенный для прижатия расплавленного или активированного участка ленты (2; 2а, 2b) к катушке (1).

30. Устройство (1a, 1b) по п.25, содержащее:

средства, предназначенные для поддержания и вращения (8) катушки (1), включают в себя ось (8) вращения, на которой расположена катушка (1), и/или

средства (5, 5', 5''), предназначенные для нанесения расплавленного или активированного участка ленты (2; 2а, 2b) на вращающуюся катушку (1), включают в себя, по меньшей мере, один прижимной валик (5, 5', 5''), предназначенный для прижатия расплавленного или активированного участка ленты (2; 2а, 2b) к катушке (1).

31. Устройство (1a, 1b) по п.24, в котором намоточное устройство содержит две намоточные головки (1а, 1b) витков, одна из которых вращается по часовой стрелке вокруг катушки (1), а другая - против часовой стрелки, и которые предназначены для одновременной намотки по часовой стрелке обмотки (100а) и намотки против часовой стрелки обмотки (100b) трансформатора.

32. Устройство (1а, 1b) по п.26, в котором намоточное устройство содержит две намоточные головки (1а, 1b) витков, одна из которых вращается по часовой стрелке вокруг катушки (1), а другая - против часовой стрелки, и которые предназначены для одновременной намотки по часовой стрелке обмотки (100а) и намотки против часовой стрелки обмотки (100b) трансформатора.

33. Применение устройства (1а, 1b) по любому из пп.20-32, предназначенного для изготовления катушки (1) трансформатора, в частности распределительного трансформатора или силового трансформатора.

Описание изобретения к патенту

Данное изобретение касается не предусматривающих пресс-форм витков катушки с изоляцией из смолы, способа, устройства и использования устройства, применяемого для изготовления таких витков катушек, и трансформатора, оборудованного такими витками катушек, соответствующими независимым пунктам формулы изобретения.

Уровень техники

Распределительные трансформаторы должны быть стойки к механическому и тепловому воздействиям, которые с одной стороны связаны с перегрузкой и короткими замыканиями, а с другой стороны - с неблагоприятными климатическими условиями. Для упомянутых областей применения в настоящее время используются трансформаторы сухого типа с витками катушек, изолированными эпоксидной смолой, которые армированы и соединены вместе пропущенными стекловолокнами. Такие трансформаторы серийно выпускаются компанией АВВ под торговой маркой RESIBLOK®. Высокое содержание стекловолокна (приблизительно 70% по весу) способствует достижению требуемой отличной механической прочности и устойчивости при тепловом ударе как при высокой, так и при низкой температурах. Изолированные эпоксидной смолой катушки, соответствующие технологии RESIBLOK®, изготавливаются поочередным нанесением слоя витков и слоя, состоящего из непрерывных стекловолокон. Сначала указанные волокна опускают в ванну с жидкой эпоксидной смолой, а затем наматывают на витки катушки. Жидкая эпоксидная смола заполняет пустоты между витками катушки. После завершения процесса намотки катушки жидкую эпоксидную смолу отверждают в печи и она становится твердой.

Изолированные эпоксидной смолой трансформаторы, соответствующие уровню техники, имеют отличные характеристики. Тем не менее, их изготовление является довольно трудоемким и дорогостоящим процессом. Излишки эпоксидной смолы, появляющиеся при нанесении смоченных волокон, должны быть размазаны по катушке или вручную удалены оператором.

Чтобы подходить для способа с пропусканием волокон, используемая эпоксидная смола должна иметь сравнительно малую вязкость. Для поддержания равномерного распределения смолы, на конечном этапе отверждения, катушку необходимо наклонять вперед и назад до тех пор, пока изоляционная матрица из эпоксидной смолы не загустеет и не станет твердой. Без этих наклонов эпоксидная смола будет стекать и накапливаться в нижней части катушки. Сложный процесс отверждения длится свыше 10-ти часов и легко его сократить нельзя.

Две вышеупомянутые причины ведут к существенным затратам при изготовлении. Кроме этого, нанесение жидкой форполимерной смеси эпоксидная смола/ангидрид вручную при открытом "жидком" процессе может привести к воздействию на рабочих токсичных химических соединений. Кроме того, по экологическим причинам неиспользованная неотвержденная эпоксидная смола должна быть соответствующим образом утилизирована.

В документе EP 1211052 А1 описан способ и устройство для наложения на некоторый объект пластиковых полосок, армированных волокном. Армированная волокнами термопластическая полоска не намотана на шпулю и ее подают через устройство расплавления на устройство прессования. Термопластическую полимерную полоску расплавляют по поверхности и впоследствии прижимают к объекту, на который ее накладывают.

В патенте US № 5954909 описан процесс непосредственной склейки, предназначенный для приклеивания проводников к основам и для приклеивания проводящего слоя из проводов на клейкую пленку, нанесенную на существующий проводящий слой из проводов. Клеящее вещество наносят или распыляют на смазку для формы, причем в клеящем веществе могут содержаться волокна или частицы волокон. Клеевой слой может находиться в В-стадии благодаря термической обработке, таким образом, образуя двухмерных клейкий лист. Для изготовления катушки, клейкий лист далее располагают лоскутами на двухмерной области проводящих проводов в ходе отдельного, не являющегося непрерывным этапа расположения. На следующем этапе, для соединения и прижатия клейкого листа на существующий двухмерный проводящий слой используется термическая обработка и обматывание.

В документе DE 1540133 описан способ изготовления изоляций катушки с использованием ленты из смолы и отдельной отверждающей ленты. По меньшей мере, одна лента может содержать волокна из слюды или стекловолокна. Подход с отдельной лентой выбран в качестве альтернативы предварительно пропитанным лентам и направлен на увеличение срока хранения. На первом этапе изоляцию катушки изготавливают намоткой этой комбинации ленты из смолы и отверждающей ленты на проводящий слой. На втором этапе катушку нагревают в течение 1-3 часа с целью отверждения смолы. Этот процесс отверждения выполняют в ходе отдельного, не являющегося непрерывным этапа изготовления.

Раскрытие изобретения

Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить эффективный с точки зрения времени и затрат способ изготовления армированных волокном катушек с не предусматривающими пресс-форм витками катушки с изоляцией из смолы. Более этого, способ, соответствующий настоящему изобретению, будет выгоден с точки зрения экологических аспектов и безопасности при эксплуатации.

Эта и другие проблемы решены, согласно настоящему изобретению, в способе по пункту 1 формулы изобретения, в катушке по пункту 11 формулы изобретения, в трансформаторе по пункту 12 формулы изобретения и в устройстве и использовании устройства по пунктам 13 и 21 формулы изобретения. В изобретении соответствующая уровню техники технология пропускания стекловолокон через эпоксидный форполимер заменена способом, при котором непрерывные волокна, внедренные в квазитвердую матрицу из эпоксидной смолы или одновременно подаваемые с указанной матрицей, например, в виде, по меньшей мере, одной ленты, непрерывно наносят на витки катушки.

Согласно этому способу изготовления катушки с изоляцией из смолы катушка армирована волокнами, расположенными на катушке в твердой полимерной матрице, при этом поочередно и неоднократно наносят слой витков и слой волокно/полимер, причем нанесение слоя волокно/полимер включает в себя следующие непрерывно выполняемые этапы:

- расплавляют или активируют участок, по меньшей мере, одной непрерывной ленты, содержащей волокна и твердую полимерную матрицу, и

- прижимают расплавленный или активированный участок, по меньшей мере, одной ленты к катушке.

По меньшей мере, одна лента может представлять собой армированную волокнами ленту, содержащую волокна, внедренные в твердую полимерную матрицу, или отдельную ленту с волокнами и отдельную полимерную матричную ленту. Чтобы получить изоляцию без пустот в витках катушки, армированную волокнами ленту или матричную ленту локально нагревают до температуры плавления полимерной матрицы или как-то иначе активируют, например, ультрафиолетовым излучением или химическим образом и потом прижимают к наматываемой части. Так как лента нагрета или активирована только на небольшом участке, то расплавленная или активированная полимерная матрица быстро отверждается после перемещения от области нагревания или активирования и прижатия. Термин "расплавление" или "активирование" относится к любому процессу, который делает ленту готовой или способной к соединению с примыкающими слоями катушки с помощью физических и/или химических процессов.

Нагретая и расплавленная или активированная смола ленты, которую прижимают к катушке, растекается под давлением в пустоты и промежутки между витками катушки и заполняет их, таким образом, герметично изолируя витки катушки. После перемещения устройства нагревания или активирования и прижатия, расплавленная или активированная эпоксидная смола немедленно прекращает течь и снова становится твердой благодаря быстрому охлаждению при температуре, меньшей точки плавления.

Отверждение готовой катушки может быть закончено в печи. Необходимое время отверждения значительно меньше времени, необходимого в существующей технологии. В настоящем способе отсутствует полностью жидкая эпоксидная смола, которая могла бы стекать или накапливаться в нижней части катушки. Следовательно, нет никакой необходимости наклонять катушку в процессе отверждения. Таким образом, значительно упрощен и сокращен процесс отверждения по сравнению с существующим процессом.

Способ изготовления, соответствующий настоящему изобретению, быстрее, менее трудоемкий и более эффективный по стоимости по сравнению с существующим способом изготовления. Так как при изготовлении нет жидкой форполимерной эпоксидной смолы, то настоящее изобретение также в положительную сторону отличается улучшенной экологической безопасностью и безопасностью при эксплуатации.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - схематичный вид, показывающий типовое устройство, реализующее способ, соответствующий настоящему изобретению.

фиг.2 - вид, изображающий часть другого варианта осуществления устройства, подходящего для реализации способа, соответствующего настоящему изобретению.

фиг.3 - вид, показывающий еще один вариант осуществления устройства, подходящего для реализации способа, соответствующего настоящему изобретению.

фиг.4 - вид, изображающий известную конструкцию трансформатора, содержащего обмотку низшего напряжения и две вторичные обмотки.

фиг.5 - вид, показывающий еще один вариант осуществления намоточного устройства, содержащего две вращающиеся в противоположных направлениях намоточные головки.

Осуществление изобретения

Подходящим полимером, находящимся в квазитвердом состоянии, или смолистой матрицей для ленты, которая используется в настоящем изобретении, является, например, смола, находящаяся в В-стадии, такая как эпоксидная смола, находящаяся в В-стадии. Эпоксидная смола, находящаяся в В-стадии (также называемая "резолит" или "резитол") - это термин, используемый для вторичной стадии в реакции некоторых термореактивных смол. Мономеры уже полимеризовались до некоторой степени. Тем не менее, смола может быть частично жидкой при нагревании или может вздуваться в присутствии некоторых растворителей, но дальше не может расплавляться без термического распада или полного растворения.

Ленты, пропитанные армированной волокном смолой, находящейся в В-стадии, обычно называются предварительно пропитанными лентами и используются для эффективного изготовления изделий, выполненных из композиционных материалов, содержащих, например, углеродистые волокна.

Предварительно пропитанные ленты выпускаются с различными системами полимеров и волокон. Кроме уже упомянутой предварительно отвержденной эпоксидной смолы, для изготовления предварительно пропитанных материалов используются такие смолы, как эфиры циановой кислоты и полиимидные смолы. Эти термореактивные пластические материалы подходят для использования при высоких температурах, что полезно. Также используются термопластические полимерные комплексы такие как полиэфир и полипропилен. Эти материалы менее дороги, но не могут использоваться при температуре, превышающей приблизительно 80°С, без потери механической прочности.

Также могут использоваться комбинации упомянутых выше полимеров или смол.

Существуют различные виды органических и неорганических материалов для волокна, которые имеют большой предел прочности на разрыв и, таким образом, подходят в качестве составных материалов и для использования в настоящем изобретении, например, стекловолокна, кварцевые волокна, арамидные волокна, волокна Оупета (полиэтилен, сформированный из геля), борные волокна, волокна из оксида алюминия, волокна из карбида кремния, волокна из полибензимидазола и базальтовые волокна. Также могут быть использованы комбинации упомянутых выше волокон. Широко применяемые углеродные волокна не подходят для использования в настоящем изобретении из-за их очень низкого омического сопротивления.

Предварительно пропитанные ленты изготавливаются посредством вымачивания волокон в жидком форполимере и последующим предварительным отверждением. Процесс химического отверждения останавливается с помощью быстрого охлаждения. Таким образом, предварительно пропитанные ленты должны храниться при низких температурах, например в низкотемпературном холодильнике, и хранятся намотанными на шпули.

На фиг.1 показан типовой вариант устройства 1а, соответствующего настоящему изобретению. В целом цилиндрическая основная часть 1 катушки вращается вокруг оси 8 вращения. В качестве альтернативы, устройство или намоточная головка 1а катушки может вращаться вокруг неподвижной катушки 1. Основная часть 1 катушки состоит из нескольких слоев 3 витков катушки, встроенных в армированную волокном матрицу 4 из смолы. В частности, катушка 1 содержит слои 3 витков, которые изолированы друг от друга слоями 4 волокно/полимер и включают в себя электрические соединения для обеспечения непрерывного наматывание катушки 1 трансформатора. Катушка 1 может использоваться в качестве катушки 1 сухого трансформатора, в частности распределительного трансформатора или силового трансформатора, предпочтительно небольшого силового трансформатора. Катушка 1 также может являться катушкой любого другого типа и она может использоваться в любой другой конкретной области, в которой отличная стойкость к механическим и тепловым воздействиям и электрическая стабильность важна для функционирования катушки, обычно при среднем и высоком напряжении. Способ и устройство 1а, соответствующие изобретению, позволяют, в частности, эффективно и экологически безопасно изготавливать катушки 1 сухого трансформатора.

По большому счету, устройство 1а, 1b (фиг.1, 5), предназначенное для изготовления катушки 1 с изоляцией из смолы, которая включает в себя чередующиеся проводящие слои 3 витков и слои 4 изоляции с волокнами, внедренными в твердую полимерную матрицу 4, содержат:

- средства 9, 10, 11, предназначенные для непрерывной подачи, по меньшей мере, одной ленты 2; 2а, 2b, включающей в себя волокна и твердую полимерную матрицу, в частности армированную волокном ленту 2,

- средства 7, 12, 12', 14, предназначенные для локального активирования участка армированной волокном ленты 2 во время ее подачи,

- средства, предназначенные для поддержания и вращения 8 катушки 1, и/или средства, предназначенные для вращения в направлении 18, 18', по меньшей мере, одной намоточной головки 1а, 1b устройства вокруг катушки 1, и

- средства 5, предназначенные для нанесения активированного участка, по меньшей мере, одной ленты 2; 2а, 2b и, в частности, армированной волокном ленты 2, на вращающуюся катушку 1.

Кроме того, могут быть предусмотрены средства, предназначенные для нанесения слоев 3 витков на катушку 1, и, в частности, средства, предназначенные для электрического соединения соседних слоев 3 витков. Предпочтительно, чтобы были предусмотрены средства, предназначенные для поочередного нанесения ленты 2; 2а, 2b и нанесения слоев 3 витков на катушку 1. Более того, могут присутствовать средства, предназначенные для одновременного нанесения ленты 2; 2а, 2b и слоев 3 витков на катушку 1.

В предпочтительном варианте осуществления устройства 1а, изготавливаемая катушка 1 представляет собой катушку 1 трансформатора, в частности распределительного трансформатора сухого типа или небольшого силового трансформатора. Целесообразно, чтобы лента 2 являлась армированной волокном предварительно пропитанной лентой 2, содержащей волокна, в частности, непрерывные волокна, внедренные в квазитвердую матрицу из смолы, такую как смолистую матрицу, находящуюся в В-стадии и намотанную на шпулю 9. В качестве альтернативы, как показано на фиг.5, первая лента 2а содержит волокна, а вторая лента 2b содержит матрицу, предпочтительно квазитвердую полимерную матрицу, в частности смолистую матрицу, находящуюся в В-стадии, и обе ленты 2а, 2b намотаны на шпули 9 и наносятся одновременно, при этом предпочтительно, чтобы слои лент чередовались.

Более того, средства 9, 10, 11, предназначенные для непрерывной подачи, могут содержать шпулю 9 с армированной волокном лентой 2 или несколько шпуль 9, содержащих первую ленту 2а или ленту с волокном и вторую или матричную ленту 2b, и могут содержать валики 10, 11, предназначенные для подачи к вращающейся катушке 1 армированной волокном ленты 2 или ленты 2а с волокном и матричной ленты 2b при регулируемом натяжении. Валики 10, 11 могут включать в себя, в частности, тормозной валик 10, приводные валики и/или упруго размещенные направляющие валики 11. Средства, предназначенные для поддержания и вращения 8 катушки 1, могут включать в себя ось 8 вращения, на которой расположена катушка 1; и/или средства 5, 5', 5", предназначенные для нанесения расплавленного или активированного участка армированной волокном ленты 2 на вращающуюся катушку 1, могут включать в себя, по меньшей мере, один прижимной валик 5, 5 ', 5", предназначенный для прижатия расплавленного или активированного участка ленты 2 к катушке 1. Также, намоточное устройство может включать в себя две намоточные головки 1а, 1b витков, одна из которых вращается по часовой стрелке вокруг катушки 1, а другая - против часовой стрелки, и которые предназначены для одновременной намотки по часовой стрелке обмотки 100a и намотки против часовой стрелки обмотки 100b трансформатора.

В зависимости от используемой форполимерной матрицы ленты 2, 2b средства, предназначенные для активирования, могут включать в себя нагревательное устройство 7, такое как вентиляторный воздухонагреватель, источник СВЧ-излучения, источник инфракрасного излучения, или лазер; и/или средства, предназначенные для активирования, могут включать в себя, по меньшей мере, одно дополнительное нагревательное устройство 12, 12', предназначенное для повторного расплавления ленты 2; 2а, 2b, недавно нанесенной на поверхность 15 катушки; и/или средства, предназначенные для активирования, могут включать в себя, по меньшей мере, одно нетепловое активирующее устройство 14, такое как источник 14 ультрафиолетового излучения, предназначенное для улучшения отверждения ленты 2; 2а, 2b, недавно нанесенной на поверхность 15 катушки. Наиболее предпочтительно, чтобы устройство 1а, 1b использовалось для изготовления катушки 1 трансформатора, в частности, распределительного трансформатора или силового трансформатора.

Далее более подробно описаны варианты осуществления способа, соответствующего изобретению. После непродолжительного локального нагревания поверхности 16 ленты, направленной к катушке 1, нагревательным устройством 7, ленту 2; 2а, 2b, в частности, армированную волокном предварительно пропитанную ленту 2, непрерывно наносят на поверхность 15 основной части 1 катушки. Источник теплоты нагревательного устройства 7 может вырабатывать горячий воздух или излучение, как отмечено выше, в зависимости от используемой форполимерной матрицы ленты 2, 2b. Далее локально расплавленную ленту 2, 2а, 2b прижимают к основной части 1 катушки прижимным валиком 5, таким образом прикладывая прижимающее усилие 6 перпендикулярно поверхности 15 основной части 1 катушки. При увеличенном давлении/температуре расплавленная предварительно полимеризованная смола начинает течь, закрывая пустоты вокруг витков катушки и расплавляя полимерную матрицу поверхности 15. После отведения прижимного валика 5 от области прижатия лента 2, 2а, 2b, которая уже является неотъемлемой частью матрицы 4 волокно/смола основной части 1 катушки, остывает. Наружная поверхность 17 образует новую поверхность 15 основной части 1 катушки.

Скорость вращения основной части 1 катушки может быть выбрана постоянной, при этом достоинством будет более простая система управления, а недостатком - изменяющаяся скорость нанесения ленты 2, 2а, 2b. Также можно регулировать скорость в зависимости от текущего значения диаметра в позиции нанесения ленты, гарантируя постоянные параметры процесса, что приводит к более равномерным свойствам материала по всей основной части 1 катушки.

На фиг.1 предварительно пропитанную ленту 2 извлекают из шпули 9 и направляют через соответствующую систему к нагревательному устройству 7. Также на фиг.1 показаны тормозной валик 10 и упругоразмещенные валики 11. Также могут быть предусмотрены приводные валики (не показаны). Однако указанную фиг.1 надо рассматривать как упрощенный пример. В технике известны системы, которые обеспечивают постоянное натяжение ленты и предотвращают разрывы.

Чтобы изготовить основную часть 1 катушки, соответствующую настоящему изобретению, слои 3 витков катушки и слои 4 армированного волокнами полимера поочередно наносят на основную часть 1 до тех пор, пока не будут закончены витки 3 катушки и они не будет полностью заизолированы.

До намотки провода 3 катушки на поверхность катушки 1 провод соединяют с предыдущим слоем витков 3 катушки, например, сваркой. После окончания слоя 3 витков катушки, провод обрезают соответствующим образом, допускающим соединение со следующим слоем 3. Далее с использованием устройства 1а, соответствующего настоящему изобретению, армированную волокном полимерную ленту 2 наносят на поверхность 15 основной части катушки, что делают до тех пор, пока толщина полимерного слоя 4 не достигнет величины, которая гарантирует необходимую стойкость к механическим воздействиям катушки 1 и электрическую изоляцию проводов 3 катушки. На поверхность полученного полимерного слоя 4 наносят следующий слой 3 витков катушки. После последнего слоя 3 витков катушки наносят последний полимерный слой 4, толщина которого может быть больше толщины других слоев 4, что делается для гарантирования очень хорошей изоляции от окружающей среды.

В предпочтительном варианте осуществления процесс нанесения автоматизирован и, следовательно, сделан более надежным и устойчивым, например укладка ленты 2, 2а, 2b на витки 3 катушки выполняется роботом. При нанесении ленты 2 слой 4 волокно/полимер могут непрерывно и/или неоднократно отверждать. Кроме того, процесс поочередного нанесения витков 3 катушки и нанесения армированного стекловолокном слоя 4, одновременно изолируя витки 3 катушки, может быть полностью автоматизирован, без оператора, в частности с использованием робота.

Как показано на фиг.5, поочередное нанесение слоя 4 волокно/полимер и слоя 3 из провода может быть выполнено одновременно в ходе одного этапа изготовления. Для этой цели к намоточной головке 1а или 1b добавляется дополнительная шпуля с медным проводом 3 и провод наносится на катушку 1.

На фиг.4 показана известная конструкция трансформатора, содержащая обмотку 100 с низшего напряжения, которая отделена от двух вторичных обмоток 100a, 100b изоляцией 101 и охлаждающим каналом 102. В этой конструкции вторичные обмотки 100a, 100b обычно имеют противоположные направления вращения, то есть по часовой стрелке - для обмотки 100a и против часовой стрелки - для обмотки 100b. Для реализации этого намоточное устройство 1а, 1b, показанное на фиг.5, содержит две намоточные головки 1а, 1b, при этом одна намоточная головка 1а вращается по часовой стрелке вокруг катушки 1, изготавливая наматываемую по часовой стрелке обмотку 100a, а другая намоточная головка 1b вращается против часовой стрелки вокруг катушки 1, изготавливая наматываемую против часовой стрелки обмотку 100b трансформатора.

Для завершения отверждения полимерной матрицы законченную катушку 1 можно нагреть в печи, чтобы смола стала нерасплавляемой, так называемой смолой, находящейся в С-стадии. Необходимое время отверждения для эпоксидной смолы, находящейся в В-стадии, значительно короче, то есть, от 1 до 2 часов, по сравнению с 10 часами для жидкой (так называемая А-стадия) эпоксидной смолы. Так как матрица из эпоксидной смолы уже является твердой, за исключением упомянутого выше этапа непродолжительного нагревания и прижатия, нет эпоксидной смолы, которая могла бы стекать или накапливаться в нижней части катушки. Следовательно, нет необходимости наклонять катушку 1 во время этапа отверждения. В результате процесс отверждения значительно упрощен и сокращен по сравнению с существующим процессом. Также возможно выполнить завершающее отверждение под давлением в автоклаве, способствуя, таким образом, улучшению стойкости к механическим воздействиям композиционного материала катушки.

На фиг.2 показаны нагревательные элементы и прижимающие элементы другого 10 возможного варианта осуществления устройства 1а, соответствующего настоящему изобретению. После локального расплавления внутренней поверхности 16 армированную волокном ленту 2 наносят на основную часть 1 катушки, используя прижимной валик 5. Для улучшения физического и химического соединения недавно нанесенной ленты 2 и поверхности 15 ленту 2 нагревают во второй раз с помощью нагревательного устройства 12 и прижимают к поверхности 15 вторым прижимным валиком 5'. Также возможно добавить третье нагревательное устройство 12' и третий прижимной валик 5". В зависимости от используемой системы форполимера дополнительные нагревательные устройства 12; 12' могут быть заменены источником 14 ультрафиолетового излучения, так как некоторые полимеры могут быть отверждены ультрафиолетовым излучением.

На фиг.3 показан еще один возможный вариант осуществления устройства 1а, соответствующего настоящему изобретению. Одно или несколько излучающих устройств 14 облучают всю полимерную поверхность 15 основной части 1 катушки. В зависимости от используемой системы предварительно пропитанного полимера используемое излучение может быть инфракрасным излучением для теплового отверждения полимера и/или ультрафиолетовым или синим излучением, предназначенным для инициирования химических реакций, приводящих к отверждению полимера. Для защиты ленты 2 до этапа нанесения непрозрачные стенки 13 отделяют ленту 2 от источников 14 света. Вместо источников 14 инфракрасного излучения могут использоваться также вентиляторные воздухонагреватели.

Другими объектами изобретения являются: катушка 1 с изоляцией из смолы, в частности используемая в сухом трансформаторе, изготовленная согласно описанному выше способу, и трансформатор, в частности распределительный трансформатор или силовой трансформатор, содержащий такую катушку 1 с изоляцией из смолы, изготовленную согласно описанному выше способу.

Настоящее изобретение имеет многочисленные достоинства. Слои 4 с волокном добавляют полимеру или смоле механическую прочность на разрыв и температурную и диэлектрическую стойкость. Также слои 4 с волокном уменьшают количество необходимой дорогой смолы. Более того, использование отдельной ленты 2а с волокном и матричной ленты 2b позволяет заменять относительно дорогостоящую предварительно пропитанную ленту 2. Толщина слоев 4 волокно/полимер должна быть выбрана в соответствии с конкретными механическими, температурными и электрическими эксплуатационными характеристиками катушки 1 трансформатора и зависит от конструкции трансформатора. Способ изготовления, соответствующий изобретению, заменяет грязный процесс «жидкой» намотки и хорошо подходит для автоматизированных процедур намотки, уменьшает вред здоровью персонала, и в результате получаются катушки 1 трансформатора улучшенного качества и диэлектрических характеристик и улучшенной надежности. Сухие трансформаторы, содержащие такие катушки 1, отличаются уменьшенным частичным разрядом. Также минимальна опасность возгорания и взрыва таких катушек 1 трансформатора.