способ контроля качества пропитки обмоток электротехнических изделий

Формула изобретения

Способ контроля качества пропитки обмоток намоточных электротехнических изделий, заключающийся в измерении электрических параметров обмотки до и после пропитки, отличающийся тем, что предварительно, исходя из конструктивных параметров обмотки, рассчитывают эквивалентную теплоемкость непропитанной обмотки C_эквдп обмотки по формуле C_эквдп=C_пр+C_эм+C _ки,

где C_пр - эквивалентная теплоемкость провода обмотки; C_эм - эквивалентная теплоемкость эмали; C_ки - эквивалентная теплоемкость корпусной изоляции



где L - длина провода обмотки, м,

D _пр - диаметр жилы провода обмотки, м,

d_пр - плотность материала провода обмотки, кг/м³,

с_Сu - удельная теплоемкость жилы провода обмотки,



где D_эм - диаметр эмалированного провода обмотки,

d_эм - плотность эмали, кг/м³ ,

c_эм - удельная теплоемкость эмали,

C_ки=Q·L_п·П×d_ки ·D_ки·c_ки,

где Q - количество пазов, в которые всыпана контролируемая часть обмотки, шт,

L_п - длина паза, м,

П - периметр паза, м,

D_ки - толщина корпусной изоляции, м,

d_ки - плотность материала корпусной изоляции, кг/м³,

c_ки - удельная теплоемкость материала корпусной изоляции,

затем в одну обмотку одного произвольно выбранного из партии однотипных намоточных изделий подают постоянный стабилизированный ток I₀, величину которого выбирают в диапазоне значений 0,8jS I₀ jS, где j - предельно допустимая для материала провода обмотки плотность тока, S - площадь сечения жилы провода, и снимают зависимость изменения приращения температуры этой обмотки T_дп(t) от времени t, после чего, и строят график зависимости



где C_дп(t) - расчетные значения эквивалентной теплоемкости реальной непропитанной обмотки, в зависимости от времени t подвода к ней стабилизированного тока I₀ ,

U_1дп - значение напряжения на обмотки в момент подключения к ней источника постоянного стабилизированного тока I₀,

U_2дп (t) - текущие значения напряжения на обмотки, зависящие от времени t подвода к ней стабилизированного тока I₀,

строят функцию C_эквдп=const и определяют из графика время t₁ в точке пересечения этой функции с графиком зависимости C_дп(t), после чего упомянутую обмотку предельным объемом V₀ жидкого пропиточного состава пропитывают пропиточным составом, объем которого можно разместить в межвитковых полостях обмотки, который рассчитывают по формуле где V₀ - объем воздушных полостей в непропитанной обмотке; S - свободная площадь сечения паза; l_w - средняя длина витка в обмотке; p - число пазов, в которые всыпана контролируемая часть обмотки; Kз - коэффициент заполнения паза проводом, сушат ее, затем рассчитывают эквивалентную теплоемкость пропитанной обмотки C_эквпп обмотки по формуле, C _эквпп=C_эквдп+c_сd_cV ₀, где c_с - удельная теплоемкость сухого остатка пропиточного состава, d_с - плотность сухого остатка пропиточного состава, затем в пропитанную обмотку, упомянутого изделия, подают стабилизированный ток I₀ и вновь снимают зависимость изменения приращения температуры этой обмотки T_пп(t) от времени t, и с использованием снятой зависимости строят график

, где U_1п - значение напряжения на обмотки в момент подключения к ней источника постоянного стабилизированного тока I₀, U_2п(t) - текущие значения напряжения на обмотки, зависящие от времени t подвода к ней стабилизированного тока I₀, строят функцию C_эквпп=const и определяют из графиков время t₂ в точке пересечения этой функции с графиком зависимости C_пп(t), затем у каждой i-й контролируемой непропитанной обмотки измеряют температуру T_исх1i, подают в нее стабилизированный ток I₀ в течение времени t₁ и измеряют произошедшее за это время приращение температуры провода обмотки ДT_дпi , а также измеряют напряжение на обмотке в момент подачи в нее стабилизированного тока I₀ и измеряют напряжение в момент времени t₁, при этом, если в момент подвода к обмотке постоянного стабилизированного тока температура T_исх1i отличается от 20°С, в измеренные напряжения и вносят поправки, прибавляя к ним величину U= U_1дпi(T_исх1i-20) с соответствующим знаком, затем определяют эквивалентную теплоемкость C_дпi упомянутой i-й контролируемой обмотки по формуле

где U_1дпi и U_2дпi - скорректированные значения измеренных величин и , затем после пропитки и сушки, измеряют у каждой i-й контролируемой пропитанной обмотки температуру T_исх2i и в каждую контролируемую обмотку, вновь подают постоянный стабилизированный ток I₀ в течение времени t₂ и измеряют произошедшее за это время приращение температуры провода обмотки ДT_ппi, а также измеряют напряжение на обмотке в момент подачи в нее стабилизированного тока I₀ и напряжение в момент времени t₂, при этом, если в момент подвода к обмотке постоянного стабилизированного тока температура T_исх2i отличается от 20°С, в измеренные напряжения и вносят поправки, прибавляя к ним величину U= U_1ппi(T_исх1i-20) с соответствующим знаком, затем определяют эквивалентную теплоемкость C_ппi упомянутой i-й контролируемой обмотки по формуле где U_1ппi и U_2ппi - скорректированные значения измеренных величин и после чего находят массу пропиточного состава m_i в каждой i-й контролируемой обмотке по формуле , а качество пропитки каждой i-й контролируемой обмотки определяют коэффициентом пропитки к_прi, определяемым по формуле , где m₀ - предельная масса пропиточного состава, которую можно разместить в полостях обмотки при их 100% заполненности сухим пропиточным составом

m₀=d_с V_0,

где d_с - плотность сухого остатка пропиточного состава.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться, в частности, для контроля качества пропитки изоляционным составом обмоток электродвигателей, катушек трансформаторов и дросселей.

Известен способ контроля качества пропитки, заключающийся в том, что отрезки обмоточного провода помещают в обойму, пропитывают изоляционным составом, высушивают содержимое обоймы, делают торцовый срез, полируют его до полного исчезновения царапин, промывают растворителем и под микроскопом определяют качество пропитки [1].

Однако данный способ является разрушающим, технологически сложным и трудоемким и неточным.

Известен также способ контроля качества пропитки обмоток электрических изделий, состоящий в измерении характеристик изделий до и после пропитки. Контролируемым параметром является масса изделия [2].

Однако данный способ трудоемок, так как после пропитки требуется тщательная очистка элементов изделия, например, магнитного сердечника (корпуса статора электрической машины), от налипшего в процессе пропитки пропиточного состава.

Кроме того, точность этого способа ограничена вследствие малости массы пропиточного состава по сравнению с общей массой изделия и невозможности учета количества пропиточного состава, осевшего на элементах изделия вне обмотки.

Известен способ контроля качества пропитки электрических машин, заключающийся в определении степени заполнения пропиточным составом полостей обмоток, путем измерения до пропитки и после нее у каждой контролируемой обмотки из однотипной партии обмоток, электрической емкости относительно корпуса, и вычислении коэффициента пропитки по результатам проведенных измерений [3].

Однако недостатком данного способа является низкая точность, обусловленная тем, что он позволяет определять только степень заполненности пропиточным составом прикорпустных полостей обмотки, в то время как межвитковые полости, которые в основном и определяют качество пропитки, остаются не проконтролированными.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу, является способ качества пропитки электротехнических изделий, описанный в [4].

Способ-прототип заключается в том, что у каждой контролируемой обмотки измеряют не только емкости до пропитки и после нее относительно корпуса изделия, но и собственные емкости этих обмоток, и по результатам этих измерений по соответствующим выражениям рассчитывают коэффициент пропитки межвитковых полостей обмотки.

Недостатком способа-прототипа является низкая точность контроля, обусловленная тем, что собственная емкость обмоток имеет большой разброс, и зависит от того, каким образом расположились витки в обмотке друг относительно друга. Кроме того, после пропитки и сушки обмоток собственная емкость контролируемой обмотки зависит не только от того, сколько пропиточного состава попало в процессе пропитки в обмотку, а, в большей степени, от того, как этот пропиточный состав распределился по межвитковым полостям обмотки.

Основной технической задачей, на решение которой направлен заявленный способ, заключается в повышении достоверности и точности контроля.

Поставленная техническая задача решается тем, что в способе контроля качества пропитки обмоток электротехнических изделий, заключающимся в измерении электрических параметров обмотки до и после пропитки, предварительно, исходя из конструктивных параметров обмотки, рассчитывают эквивалентную теплоемкость непропитанной обмотки C_эквдп обмотки по формуле

где C_пр - эквивалентная теплоемкость провода обмотки; C_эм - эквивалентная теплоемкость эмали; C_ки - эквивалентная теплоемкость корпусной изоляции

где L - длина провода обмотки, м,

D_пр - диаметр жилы провода обмотки, м,

d_пр - плотность материала провода обмотки, кг/м ³,

c_Cu - удельная теплоемкость жилы провода обмотки,

где D_эм - диаметр эмалированного провода обмотки,

d_эм - плотность эмали, кг/м³,

c_эм - удельная теплоемкость эмали,

p - количество пазов, в которые всыпана контролируемая часть обмотки, шт,

L_п - длина паза, м,

П - периметр паза, м,

D_ки - толщина корпусной изоляции, м,

d_ки - плотность материала корпусной изоляции, кг/м ³;

c_ки - удельная теплоемкость материала корпусной изоляции.

Затем в провод одной обмотки произвольно выбранной из партии однотипных намоточных изделий подают постоянный стабилизированный ток I₀ , величину которого выбирают в диапазоне значений

0,8jS I₀ jS,

где j - предельно допустимая для материала провода обмотки плотность тока,

- площадь сечение жилы провода.

После подачи в провод упомянутой обмотки произвольно выбранной из партии однотипных намоточных изделий постоянного стабилизированного тока I ₀, снимают зависимость изменения приращения температуры этой обмотки T_дп(t) от времени t, и строят график зависимости:

где C_дп(t) - расчетные значения эквивалентной теплоемкости реальной непропитанной обмотки, в зависимости от времени t подвода к ней стабилизированного тока I₀,

U_1дп - значение напряжения на обмотки в момент подключения к ней источника постоянного стабилизированного тока I₀,

U_2дп(t)- текущие значения напряжения на обмотки, зависящие от времени t подвода к ней стабилизированного тока I₀.

Затем строят функцию C_эквдп=const и определяют из графика время ti в точке пересечения этой функции с графиком зависимости C_дп(t).

После этого упомянутую обмотку предельным объемом V₀ жидкого пропиточного состава пропитывают пропиточным составом, объем которого можно разместить в межвитковых полостях обмотки, который рассчитывают по формуле [5]:

,

где V₀ - объем воздушных полостей в непропитанной обмотке;

S - свободная площадь сечения паза;

l_w - средняя длина витка в обмотке;

p - число пазов, в которые всыпана контролируемая часть обмотки;

K_з - коэффициент заполнения паза проводом.

Рассчитывают эквивалентную теплоемкость пропитанной обмотки C_эквпп обмотки по формуле:

где c_с - удельная теплоемкость сухого остатка пропиточного состава,

d_с - плотность сухого остатка пропиточного состава.

Затем после пропитки упомянутой обмотки сушат ее, и в провод этой пропитанной обмотки, упомянутого изделия, подают постоянный стабилизированный ток I₀ и вновь снимают зависимость изменения приращения температуры этой пропитанной обмотки T_пп(t) от времени t, и строят график:

где U_1п - значение напряжения на обмотки в момент подключения к ней источника постоянного стабилизированного тока I₀,

U_2п(t)- текущие значения напряжения на проводе обмотки, зависящие от времени t подвода к ее проводу постоянного стабилизированного тока I ₀.

Строят функцию C_эквпп=const и определяют время t₂ в точке пересечения этой функции с графиком зависимости C_пп(t).

Затем у каждой i-й контролируемой непропитанной обмотки измеряют температуру T_исх1i, подают в ее провод постоянный стабилизированный ток I₀ в течение времени t₁ и измеряют произошедшее за это время приращение температуры провода обмотки T_дпi, а также измеряют напряжение ; на обмотке в момент подачи в нее стабилизированного тока I₀ и напряжение в момент времени t₁. При этом, если в момент подвода к обмотке постоянного стабилизированного тока температура T_исх1i отличается от 20°С, в измеренные напряжения и вносят поправки, прибавляя к ним величину U= U_1дпi(T_исх1i-20) с соответствующим знаком. Затем определяют эквивалентную теплоемкость C_дпi упомянутой i-й контролируемой обмотки по формуле:

,

где U_1дпi и U_2дпi скорректированные значения измеренных величин и .

Затем контролируемые обмотки пропитывают и сушат, и после пропитки и сушки, измеряют у каждой i-й контролируемой пропитанной обмотки температуру T_исх2i и в провод каждой контролируемой обмотки, вновь подают постоянный стабилизированный ток I₀ в течение времени t₂ и измеряют произошедшее за это время приращение температуры провода обмотки T_ппi, а также измеряют напряжение на обмотке, в момент подачи в ее провод постоянного стабилизированного тока I₀, и напряжение в момент времени t₂.

При этом, если в момент подвода к проводу обмотки постоянного стабилизированного тока I₀ температура T_исх2i отличается от 20°С, то в измеренные напряжения и вносят поправки, прибавляя к ним величину U= U_1ппi(T_исх2i-20) с соответствующим знаком. Затем определяют эквивалентную теплоемкость C_ппi упомянутой i-й контролируемой обмотки по формуле:

,

где U_1ппi и U_2ппi скорректированные значения измеренных величин и .

После чего находят массу пропиточного состава m_i в каждой i-й контролируемой обмотке по формуле:

,

а качество пропитки каждой i-й контролируемой обмотки определяют коэффициентом пропитки K_прi определяемым по формуле:

где m₀ - предельная масса пропиточного состава, которую можно разместить в полостях обмотки при их 100% заполненности сухим пропиточным составом

,

где d_с - плотность сухого остатка пропиточного состава.

На фиг.1А изображено представление непропитанной обмотки в виде слоистой структуры. Позициями 1, 2, 3, 4, 5, 6 обозначены провод обмотки, слой эмали, межвитковые воздушные полости, слой корпусной изоляции, прикорпусные воздушные полости, сталь магнитного сердечника, соответственно.

На фиг.1Б изображено представление пропитанной обмотки в виде слоистой структуры. Позициями 1, 2, 7, 4, 5, 8 обозначены соответственно провод обмотки, слой эмали, слой пропиточного состава в межвитковых полостях, слой корпусной изоляции, слой пропиточного состава в прикорпусных полостях, сталь магнитного сердечника, соответственно.

На фиг.2. приведены графики зависимости приращения температуры провода обмотки от времени подвода к нему постоянного стабилизированного тока I_O=12,4 А. Позициями 3 и 4 обозначены экспериментально снятые графики зависимости приращения температуры реальной обмотки статора электродвигателя 4А112 М соответственно до и после пропитки, от времени подвода к проводу обмотки постоянного стабилизированного тока I_O=12,4 А. Позициями 1 и 2 представлены расчетные зависимости изменения приращения температуры идеализированной обмотки, упомянутого статора электродвигателя, соответственно до и после пропитки, от времени подвода к ней постоянного стабилизированного тока I_O=12,4 А.

На фиг.3. приведены графики зависимости эквивалентной теплоемкости обмотки статора электродвигателя 4А112 М от времени подвода к ней постоянного стабилизированного тока I_O=12,4 А. Позициями 3 и 4 обозначены графики зависимости эквивалентной теплоемкости реальной обмотки C _дп и C_пп статора электродвигателя 4А112 М до пропитки и после нее, построенные на основе экспериментально снятых параметров провода обмотки в процессе его разогрева с использованием формул (5) и (8) соответственно.

Позициями 1 и 2 обозначены расчетные по конструктивным параметрам эквивалентные теплоемкости C_эквдп и C_эквпп , определенные с использованием формул (1) и (7)

На фиг.4 представлены зависимости относительной погрешности определения эквивалентной теплоемкости реальной обмотки статора электродвигателя 4А112 М до пропитки и после нее в зависимости от времени подвода к клеммам ее провода постоянного стабилизированного тока I _O=12,4 А. Относительные погрешности определения эквивалентной теплоемкости обмотки до пропитки и после нее рассчитывались по формулам:

_дп, %=100%[C_эквдп-C_дп(t)])/C _эквдп; _пп, %=100%[C_эквпп-C_пп(t)])/C _эквпп

где _дп, %, _пп, % - относительные погрешности определения эквивалентной теплоемкости обмотки до пропитки и после нее (в %) соответственно,

C_эквдп, C_эквпп - истинные значение эквивалентной теплоемкости до пропитки и после нее определенные по конструктивным параметров элементов обмотки,

C_дп(t), C_пп(t) - эквивалентные экспериментально полученные теплоемкости обмотки, рассчитанные по формулам (5) и (8).

На фиг.1, фиг.2, фиг.3 и фиг.4 приведены рисунки, служащие для пояснения сущности изобретении.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Качество пропитки обмоток электротехнических изделий, в частности, электрических машин, оценивают по величине коэффициента пропитки , приведенному выше (выражение 12). Этот коэффициент характеризует степень насыщения межвитковых и прикорпусных полостей обмотки пропиточным составом, оставшимся в упомянутых полостях после операции пропитки и сушки обмоток. Именно с этим коэффициентом связываю степень скрытия дефектов в витковой и корпусной изоляции, тепловые и механические свойства пропитанных обмоток и, в целом, их надежность и долговечность. В настоящее время впрямую упомянутый коэффициент можно определить только по привесу обмотки после пропитки. Для этого изделие с всыпанной в его пазы обмоткой взвешивают дважды: до пропитки и после нее. Массу пропиточного состава, попавшего в полости обмотки после пропитки, определяют по разности результатов упомянутых взвешиваний. Однако определение упомянутого выше коэффициента по привесу обмотки затруднено в силу нескольких причин.

Во-первых, обмотку перед пропиткой всыпают в пазы массивного магнитного сердечника, например, в пазы статора электродвигателя. Масса магнитного сердечника с всыпанной в него обмоткой может достигать нескольких килограмм, тогда как предельная масса пропиточного состава то, которую можно разместить в межвитковые и прикорпусные полости обмотки составляет лишь несколько сотен грамм. Поэтому определить привес в несколько сотен грамм, на фоне веса всего изделия в несколько килограмм, можно лишь высокоточными прецизионными весами, и то с заметной погрешностью. Кроме того, пропиточный состав в процессе пропитки и сушки налипает на элементы магнитного сердечника и его тщательно нужно счищать с магнитного сердечника, для того, чтобы снизить погрешность контроля.

В основе заявляемого способа лежит зависимость эквивалентной теплоемкости обмотки от массы m_i пропиточного состава в ней. До пропитки эквивалентная теплоемкость обмотки C_дп определяется суммарной теплоемкостью, включающей в себя теплоемкость медной жилы провода C_пр, эмалевой изоляции провода C_эм и корпусной изоляции C_ки, проложенной в пазы массивного магнитного сердечника, например в пазы статора. При пропитке происходит вытеснение воздуха из пор и капилляров между витками обмотки, и из полостей в корпусной изоляции, и заполнение их пропиточным составом, в результате чего эквивалентная теплоемкость обмотки C_дп возрастает на величину C _пс и становится равной C_пп, при этом она линейно зависит от массы пропиточного состава.

Условно обмотку электротехнического изделия до пропитки можно представить в виде слоистого анизотропного тела (см. фиг.1А), состоящего из медного провода 1, эмалевой изоляции 2, межвитковых воздушных полостей 3, корпусной изоляции 4, прикорпусных воздушных полостей 5. Обмотка всыпана в пазы массивного стального сердечника 6. Обмотку после пропитки и сушки также можно представить в виде анизотропного слоистого тела (см. фиг.1Б). На фиг.1.Б введены те же обозначения, что и на фиг.1А, только воздушные полости 3 и 5 (фиг.1А), обозначены цифрами 7 и 8, так как эти полости после пропитки и сушки заполнены пропиточным составом.

Эквивалентная теплоемкость C_экв любого однородного тела массой М, определяется по формуле:

где c - удельная теплоемкость материала тела, Дж/кг×К.

Экспериментально теплоемкость можно определить путем разогрева тела и измерения энергии Q, пошедшей на его разогрев и приращения его температуры T по формуле:

Однако при разогреве тела необходимо обеспечить такие условия, чтобы вся подводимая к телу энергия шла только на его разогрев, а потери некоторой доли этой энергии в окружающую среду были бы пренебрежительно малы. Поэтому для определения теплоемкости тел и используют различные виды калориметров, в которых предусмотрено обеспечение минимальных потерь в окружающую среду из подводимой к телу энергии.

Обмотка же до пропитки и после нее представляет собой, как это отражено на фиг.1, сложное анизотропное тело, и это приводит к некоторым проблемам при измерении эквивалентной теплоемкости обмотки, как до пропитки, так и после пропитки. Рассмотрим эти проблемы.

Для определения эквивалентной теплоемкости обмотки до пропитки и после нее можно подводить к клеммам обмотки греющую энергию, например, в виде постоянного стабилизированного электрического тока I₀, а приращение температуры обмотки T в процессе ее разогрева можно определять, например, по изменению сопротивления провода обмотки.

Если бы обмотка была однородным телом и была бы идеально теплоизолирована от магнитного сердечника и окружающей среды, а температура провода обмотки, измеренная в любой момент времени подвода энергии к этому проводу, была бы равна температуре других компонентов обмотки (эмали, пропиточного состава, корпусной изоляции), то у такой идеализированной обмотки можно было бы определить эквивалентную теплоемкость Cэкв, по формуле:

Q - энергия, подведенная к проводу обмотки, P₀ - электрическая мощность, подведенная к клеммам провода обмотки, t - время подвода мощности к клеммам провода обмотки, Rн - номинальное сопротивление провода обмотки.

Для такой идеализированной обмотки температура провода обмотки в любой момент времени была бы равна температуре, измеренной в любой точке обмотки, и температура изменялась бы линейно со временем (фиг.2 графики 1 и 2), а эквивалентная теплоемкость обмотки, как до пропитки, так и поле нее, определялась бы по приведенной формуле (16), и результат не зависел бы от времени подвода энергии и времени измерения этой энергии и температуры провода (см. фиг.2 графики 1, 2)

В реальности же дело обстоит иначе. Действительно, при подаче постоянного стабилизированного тока I₀ к клеммам провода обмотки мы можем измерить только подведенную энергию и изменение температуры провода обмотки T_пр(t), по приращению ее сопротивления R(t), от времени подвода энергии к проводу обмотки. Если бы слои обмотки (эмаль, воздух, пропиточный состав, корпусная изоляция) имели бы бесконечную теплопроводность и обмотка идеально была бы теплоизолирована от магнитного сердечника и окружающей среды, то только в этом случае вся подведенная к проводу обмотки энергия Q_под(t) затрачивалась бы полностью на разогрев всех элементов обмотки, а изменение температуры провода обмотки T_пр(t) соответствовало бы изменению температуры ее слоев. Только при этих условиях можно было бы определять эквивалентную теплоемкость обмотки без методических погрешностей, по результатам измерения, подведенной энергии к проводу обмотки и приращения температуры провода обмотки, проведенным в любой момент времени.

Однако слои реальной обмотки (эмаль, воздух, пропиточный состав, корпусная изоляция) имеют конечную и разную теплопроводность, а вся обмотка в целом неидеально теплоизолирована от окружающей среды и магнитного сердечника. Это приводит к тому, что подводимая к проводу энергия, которую мы можем измерить в любой момент времени, и приращение температуры провода обмотки во времени, которое мы также можем измерить, не будет соответствовать той энергии, которая пошла на разогрев обмотки в целом, и температура провода, также не будет соответствовать в целом температуре слоев обмотки и средней температуре обмотки. Это происходит потому, что подведенная к проводу энергия распределяется неравномерно во времени по слоям обмотки, так как они разделены друг от друга конечными тепловыми сопротивлениями, а также потому, что часть подведенной к проводу энергии расходуется на излучение в окружающую среду и часть уходит в магнитный сердечник. Потери этих частей энергии измерить не представляется возможным. Поэтому если измерять температуру провода у реальной непропитанной и пропитанной обмотки по изменению сопротивления ее провода, то это изменение будет носить нелинейный характер (см. фиг.2. кривые 3 и 4). Причем, в начальный период времени температура провода в реальной непропитанной (см. фиг.2 кривая 3) и реальной пропитанной (см. фиг.2 кривая 4) обмотке, будет несколько превышать температуру идеализированной не пропитанной (см. фиг.2 кривая 1) и температуру идеализированной пропитанной (см. фиг.2 кривая 2) обмотки. Это будет происходить потому, что в первоначальное время подвода энергии в реальную обмотку большая часть ее затрачивается на разогрев провода, а на другие компоненты (слои) обмотки из-за их конечной теплопроводности, тратится лишь малая доля этой энергии. В этот же период времени, по тем же причинам, потери тепла из провода в окружающую среду и в магнитный сердечник также пренебрежительно малы. Поскольку теплоемкость провода значительно меньше всей теплоемкости обмотки в целом, то вся энергия, подведенная к проводу обмотки в первые моменты, тратится только на разогрев этого провода. Если бы обмотка была идеальной, то эта же энергия, равная по величине упомянутой выше, затрачивалась бы на одновременный разогрев всех компонентов обмотки в целом. Так как теплоемкость провода обмотки, являющегося компонентом обмотки, меньше чем эквивалентная теплоемкость обмотки в целом, то, естественно, скорость и величина приращения температуры провода в реальной непропитанной и пропитанной обмотке будет выше, чем приращение температуры за то же время подвода энергии в идеализированной обмотке.

В момент времени t₁ (см. фиг.2) температура провода реальной непропитанной обмотки, становится равной температуре идеализированной непропитанной обмотки, а в момент времени t₂ (см. фиг.2) температура провода реальной пропитанной обмотки, становится равной температуре идеализированной пропитанной обмотки.

В указанные моменты времени t₁ и t₂ уже не вся подведенная энергия к проводу реальной обмотки тратится на его разогрев, а часть ее уже используется на разогрев других слоев обмотки, и некоторая часть этой энергии уходит в магнитный сердечник и окружающую среду. Поэтому приращение температуры провода реальной обмотки в указанные моменты времени t₁ и t₂ становятся равными тому приращению температуры, которое наблюдалось бы в идеализированной обмотке.

Иными словами, потери тепла из провода обмотки в указанные моменты времени t₁ и t₂ компенсируют ту часть энергии, которая пошла бы на разогрев всех слоев идеализированной обмотки.

Поэтому в данные моменты времени температуру провода реальной пропитанной и непропитанной обмотки можно считать равной температуре идеализированной непропитанной и пропитанной обмотки, соответственно, а энергию, подведенную к клеммам проводов реальной пропитанной и непропитанной обмотки в течение времен t₁ и t ₂, соответственно, можно считать энергией, пошедшей на разогрев всех элементов обмотки. Следовательно, если подводить энергию к проводам соответственно непропитанной и пропитанной обмотки в течение времен t₁ и t₂, измерять какое приращение температуры провода произошло за эти времена и подставлять измеренную подведенную энергию к проводу обмотки и приращение его температуры за эти времена в формулу 16, то будем получать истинное значение эквивалентной теплоемкости как непропитанной, так и пропитанной обмоток.

При дальнейшем увеличении времени разогрева реальной непропитанной и реальной пропитанной обмотки за времена t₁ и t ₂ происходит все большая утечка этой энергии в магнитный сердечник и окружающую среду, и рост температуры провода обмотки замедляется, по сравнению с ростом температуры в идеализированной пропитанной и непропитанной обмотках (см. фиг.2 кривые 3 и 4).

Поэтому если подсчитывать эквивалентную теплоемкость непропитанной и пропитанной реальной обмотки по приведенной выше формуле, подставив в ней реальные значения подведенной к проводу энергии и реальные значения изменения приращения температуры провода обмотки, то получим, что рассчитанные по формуле (16) значения эквивалентных значений пропитанной и непропитанной обмотки будут изменяться, в зависимости от времени подвода к проводу обмотки греющей энергии и времени измерения приращения температуры упомянутого провода (см. фиг.3. кривые 3 и 4).

На фиг.4 построены графики зависимости относительной погрешности определения эквивалентной теплоемкости реальной обмотки до пропитки (кривая 1) и после нее (кривая 2).

Из приведенных графиков на фиг.4 следует, что минимальная относительная погрешность определения эквивалентной теплоемкости непропитанной обмотки будет в том случае, если к ней подводить энергию в течение времени t₁ и в этот же момент времени измерять приращение температуры провода обмотки. Минимальная же относительная погрешность определения эквивалентной теплоемкости пропитанной обмотки будет в том случае, если к ней подводить энергию в течение времени t₂ и в этот же момент времени измерять приращение температуры провода обмотки. Если же подводить греющую энергию к проводу реальной непропитанной или пропитанной обмотки и измерять приращения провода этих обмоток в течение иных интервалов времени, отличных от t₁ и t₂, то это приведет к существенным погрешностям. Поэтому для обеспечения минимальных погрешностей в определении эквивалентной теплоемкости реальной непропитанной и пропитанной обмотки необходимо определить упомянутые времена t₁ и t₂. Процесс определения упомянутых времен t₁ и t₂ описан выше.

Пример конкретного выполнения. По заявляемому способу осуществляли контроль качества пропитки статорных обмоток электродвигателей 4А112 М4.

Предварительно, исходя из конструктивных параметров обмотки, определяли эквивалентную теплоемкость непропитанной обмотки C_эквдп обмотки по формуле (1).

При расчете C_эквдп учитывались следующие конструктивные и физические параметры компонентов обмотки:

Температурный коэффициент сопротивления меди (провода обмотки)

=0,0038 град^-1;

Удельная теплоемкость материала корпусной изоляции c_ки=837 Дж/кг°С;

Удельная теплоемкость материала эмалевой изоляции c_эм=921 Дж/кг°С;

Длина провода L=160 м;

Удельное сопротивление провода ₂₀=1,72×10^-8 Ом×м;

Удельный вес меди (плотность) d_пр=8,93×10 ³ кг/м³;

Удельная теплоемкость материала провода (меди) c_меди=0,38137×10 ³ Дж/кг×°С;

Количество пазов в статоре p=36;

Длина паза Lп=0,125 м;

Периметр паза П=4,3×10^-2 м;

Толщина корпусной изоляции d_ки=0,6×10^-3 м;

Плотность материала корпусной изоляции d_ки =1340 кг/м³;

Удельная теплоемкость корпусной изоляции c_ки=840 Дж/кг×°С;

Диаметр жилы провода D_пр=1,32×10 ^-3 м;

Диаметр эмалированного провода D _эм=1,4×10^-3 м;

Плотность материала эмали d_эм=1230 кг/м³;

Удельная теплоемкость эмали c_эм=984 Дж/кг×К;

Длина полувитка обмотки lw=0,572 м;

Площадь паза S_п=8,8×10^-6 м² ;

Коэффициент заполнения паза Kз=0,678

Эквивалентная теплоемкость провода обмотки

Эквивалентная теплоемкость эмали

Эквивалентная теплоемкость корпусной изоляции

C_ки=p×Lп×П× _ки×d_ки×C_ки=36×0,125×4,3×10 ^-2×1340×0,6×10^-3×1320=205,354 Дж/град;

Эквивалентная теплоемкость непропитанной обмотки

C_дп=C_пр+C_ки +C_эм=745,31+33,0787+205,354=983,7 Дж/град;

В непропитанную обмотку упомянутого выбранного статора подавали постоянный стабилизированный ток I₀, величиной 12,4 А. Величину постоянного стабилизированного тока, выбирали исходя из допустимых плотностей тока j, для медного провода лежащих в диапазоне от 6 А/мм² до 10 А/мм² [6], и площади сечения провода.

При этом плотность тока 6 А/мм² считается нормальной плотностью, взятой с запасом, а плотность тока 10 А/мм² - это максимально допустимая плотность, которая пригодна только для кратковременной эксплуатации. В нашем случае, при кратковременном воздействии постоянного стабилизированного тока I_о на объект контроля (обмотку), целесообразно выбирать плотность тока, близкую к максимально допустимой плотности тока, равной 10 А/мм². Это обусловлено тем, что, во-первых, воздействие тока на провод обмотки в процессе контроля пропитки кратковременно, и, во-вторых тем, что чем выше плотность тока, тем быстрее происходит изменение температуры провода, что сокращает время контроля. Поэтому для разрабатываемого способа контроля качества пропитки обмоток электротехнических изделий следует обузить интервал плотностей тока до значений от 8 А/мм² до 10 А/ мм². Указанный выбранный интервал тока для контроля пропитки обмоток электротехнических изделий, изготовленных из медного провода, обусловлен следующими причинами. Плотность тока для медных проводов более 10 А/мм ² не допустима. Значение плотностей тока меньше 8 А/мм ² приводит к увеличению времени контроля и точности измерений коэффициентов пропитки. В данном конкретном случае площадь сечения медного провода контролируемой обмотки была равной 1,368 мм ². Исходя из выбранного диапазона допустимых плотностей тока в диапазоне от 8 А/мм² до 10 А/мм² , значение постоянного стабилизированного тока I_O, должно лежать в диапазоне от 10,9 А до 13,67 А. Нами был выбран ток, лежащий примерно в середине указанного диапазона и равный 12,4 А.

После взвешивания произвольно выбранного из партии контролируемых изделий статора, с всыпанной в него непропитанной обмоткой, измеряли температуру изделия T_1исхi , и к клеммам провода обмотки подключали постоянный стабилизированный ток, величиной 12,4 А. Поле чего снимали зависимость изменения приращения температуры провода этой обмотки T_дп(t) от времени t, и строили график зависимости измеренной эквивалентной теплоемкости C_дп(t), определяемой по формуле:

.

Если температура T_1исхi контролируемого изделия (обмотки) в момент подачи в нее постоянного стабилизированного тока отличалась от 20°С, то для того, чтобы исключить влияние исходной температуры на точность измерений, в измерения напряжений U_1д и U_2д(t) вносились поправки, для чего к измеренным величинам U_1д и U_2д(t) прибавлялась величина U=I₀Rн (_Tисх1-20) с соответствующим знаком. Это позволяло привести все измерения к температуре 20°С и исключить соответствующие температурные погрешности.

Так как измерения проводились при температуре, приведенной к 20°С, у одной и той же обмотки, значения первоначального напряжения U_1д на проводе обмотки в момент подачи на нее постоянного стабилизированного тока I₀=12,4 А были неизменными и равными U_1д =78,3 В.

Значения других измеренных величин U _2д(t), и T_дп(t), и расчетные по результатам измерений значения C_дп(t), приведены в таблице 1.

Таблица 1
Значения измеренных величин U2д(t), Tдп(t) и Cдп(t)в различные моменты времени t подвода постоянного стабилизированного тока к проводу непропитанной обмотки
t, c	6	10	20	30	40	45
Tдп(t), °С	7,4	10	14	16	18	20
U2дп	80,5	81,275	82,47	83,06	83,66	84,25
(U2дп+U 1дп)°С	158,8	159,575	150,77	161,36	161,96	162,55
Cдп, Дж/°С	798,3	989,36	1423,96	1875,81	2231,45	2267,57

По результатам измерений строили график зависимости T_дп (t) (фиг.2. кривая 3) и график зависимости C_дп(t), (см. фиг.3 кривая 3). На этом же графике проводят линию C _эквдп=const (см. фиг.3 прямая 1), соответствующую истинной эквивалентной теплоемкости выбранной непропитанной обмотки, значение которой было определено из конструктивных значений обмотки статора 4А112М4 по формуле (1). По точке пересечения кривой 3 (фиг.3) и прямой 1 (фиг.3) определяли время t₁. Оно оказалось равным 10 с.

После снятия указанных зависимостей выбранный непропитанную обмотку выбранного статора подвергали пропитке определенным объемом пропиточного лака Мл-92, равным объему межвитковых полостей в обмотке, который вычисляли по выражению [5]:

После пропитки и сушки обмотки ее полости были заполнены высохшим пропиточным составом, массу которого определяли по выражению:

m_с=µV ₀d_c=0,5×0,00042382×1070-0,227 кг,

µ - коэффициент усадки пропиточного состава в процессе сушки, равный отношению объема высохшего пропиточного состава к объему того же состава до его сушки. Для пропиточного лака Мл-92 того же пропиточного состава µ=0,5.

Плотность d_с сухого остатка пропиточного состава Мл-92 равна d_с=1070 кг/м³.

Исходя из конструктивных параметров обмотки и измеренной массы сухого остатка m_с рассчитывали эквивалентную теплоемкость пропитанной обмотки C_эквпп обмотки по формуле:

C_эквпп=Cэ_эквдп+c_с m_с=983,7+1748×0,227=983,7+396,8=1380,5 Дж/град,

где c_с - удельная теплоемкость сухого остатка пропиточного лака Мл-92 была равна c_с=1748 Дж/кг×°С.

После пропитки и сушки обмотки выбранного изделия (статора) и остывания его до температуры окружающей среды измеряли температуру T_исх2 выбранного статора с пропитанной обмоткой. После измерения упомянутой температуры в провод пропитанной обмотки упомянутого выбранного статора подавали постоянный стабилизированный ток I₀, величиной 12,4 А, и снимали зависимость изменения приращения температуры провода этой обмотки T_пп(t) от времени t, после чего строили график зависимости:

,

Если температура T_исх2 контролируемого изделия (обмотки) в момент подачи в нее постоянного стабилизированного тока отличалась от 20°С, то для того, чтобы исключить влияние исходной температуры на точность измерений в напряжений U _1п и U_2п(t) вносились поправки, для чего к измеренным величинам U_1п и U_2п(t) прибавлялась величина U=I₀Rн (T_исх2-20) с соответствующим знаком. Это позволяло привести все измерения к температуре 20°С. Так как измерения проводились при температуре, приведенной к 20°С, у одной и той же обмотки, значения первоначального напряжения U_1п на проводе обмотки в момент подачи на нее постоянного стабилизированного тока I₀=12,4 А были неизменными и равными первоначальному напряжению на непропитанной обмотке U_1д=78,3 В. Значения других измеренных величин U_2п(t) и T_пп(t) и расчетные по результатам измерений значения C_пп(t) приведены в таблице 2.

Таблица 2
Значения измеренных величин U2д(t), Tдп(t) и Cпп(t) в различные моменты времени t подвода постоянного стабилизированного тока к проводу непропитанной обмотки
t, c	6	10	20	30	40	45
Tпп(t),°C	6	9,7	12	13	14	15
U2пп, В	80,0	81,186	81,87	82,17	82,47	82,76
(U2пп+U 1пп), В	158,4	159,49	160,17	160,47	160,77	161,06
Спп(t), Дж/°C	982,1	1019,39	1655,1	2295,96	2847,9	2995,77

По результатам измерений строили график зависимости T_пп (t) (фиг.2. кривая 4) и график зависимости C_пп(t), (см. фиг.3 кривая 4). На этом же графике проводят линию C _эквпп=const (см. фиг.3 прямая 2), соответствующую истинной эквивалентной теплоемкости выбранной пропитанной обмотки, значение которой было определено из конструктивных значений обмотки статора 4А112М4 по формуле (6). По точке пересечения кривой 4 (фиг.3) и прямой 2 (фиг.3) определяли время t₂. Оно оказалось равным 17,5 с.

О том, что при временах t ₁=10 с и t₂=17,5 с, при контроле обмоток соответственно до пропитки и после нее, методические погрешности заявляемого способа являются минимальными и близкими к 0 свидетельствует таблица 3 и графики относительной погрешности измерения эквивалентной теплоемкости обмоток, приведенные на фиг.4, до пропитки (кривая 1 фиг.4) и после нее (кривая 2 фиг.4)

Таблица 3
Абсолютные и относительные погрешности определения эквивалентной теплоемкости непропитанной и пропитанной обмотки в зависимости от времени подвода к проводу обмотки постоянного стабилизированного тока I0=12,4 A
t, c	6	10	20	30	40	45
Cдп расч; Дж/°С	-185,4	0	4440,3	892,12	1247,76	1283,88
( Cдп расч/Cэквдп)×100%	-18,9	0	44,8	90,7	126,8	130,5
Cпп расч, Дж/°C	-398,4	-361,5	274,6	915,5	1467,4	1615,3
Cпп расч/Cэквдп×100%	-28,9	-26,2	19,89	66,3	106,3	117

После определения оптимальных времен контроля обмоток t₁=10 с и t₂=17,5 с, соответственно до пропитки и после нее, производили контроль качества пропитки партии из 5 статорных обмоток двигателя 4А112М4. Контроль осуществляли следующим образом. Перед контролем у каждой i-ой контролируемой непропитанной обмотки измеряли исходную температуру T_исх1i. Затем в каждую i-ю однотипную контролируемую обмотку подавали стабилизированный ток I₀=12,4 А в течение времени t₁=10 с и измеряли произошедшее за это время приращение температуры провода обмотки T_дпi, а также измеряли напряжение ; на проводе обмотки в момент подачи в него стабилизированного тока I₀ напряжение на проводе обмотки в момент времени t₁=10 с. Если исходная температура T_исх1i контролируемых обмоток отличалась от 20°С, то для исключения ошибок в определении эквивалентной теплоемкости обмоток в напряжения и вносилась поправка , которая слагалась с измеренными величинами напряжений и с соответствующим знаком.

В таблице 4 приведены значения первоначально измеренных напряжений и на проводе контролируемых обмоток, температурные поправки, внесенные в них, и скорректированные значения напряжений U _1дпi и U_2дпi

Таблица 4
Значения измеренных напряжений и на проводе контролируемых обмоток в момент подачи в них постоянного стабилизированного тока I0 и в момент времени t1=10 с, соответственно, и значения внесенных в упомянутые напряжения температурных поправок
i	Tисх1i, °C	, В	, В	Скорректированное значение U 1дпi, В	Скорректированное значение U2дпi, В
1	17	79,1	83,26	78,2	82,36
2	18	80,1	84,30	79,5	83,69
3	18	79,4	83,74	78,8	83,14
4	17	83,0	87,95	82,1	87,00
5	18	80,9	85,14	80,3	84,54

Затем по результатам измерений определяли эквивалентную теплоемкость C_дпi упомянутой i-й контролируемой обмотки по формуле:

.

Затем обмотки пропитывали и после пропитки и сушки охлаждали их до комнатой температуры, измеряли эту температуру T_исх2i в каждой i-й обмотке, и затем в каждую i-ю однотипную контролируемую обмотку вновь подавали стабилизированный ток I₀ в течение времени t₂=17,5 с и измеряли произошедшее за это время приращение температуры провода обмотки T_ппi, а также измеряли напряжение на обмотке в момент подачи в нее стабилизированного тока I₀=12,4 А и напряжение в момент времени t₂=17,5 с. Если исходная температура T_исх2i контролируемых обмоток отличалась от 20°С, то для исключения ошибок в определении эквивалентной теплоемкости обмоток в напряжения U_1ппi и U_2ппi вносилась поправка U_пп= U_1ппi(T_исх2i-20), которая слагалась с измеренными величинами напряжений и с соответствующим знаком.

В таблице 5 приведены значения первоначально измеренных напряжений и на проводе контролируемых обмоток, температурные поправки, внесенные в них, и скорректированные значения напряжений U _1ппi и U_2ппi

Таблица 5
Значения измеренных напряжений и на проводе контролируемых обмоток в момент подачи в них постоянного стабилизированного тока I0 и в момент времени t1=17,5 с, соответственно, и значения внесенных в упомянутые напряжения температурных поправок
i	Tисх2i, °C	, В	, В	Скорректированное значение U 1ппi, В	Скорректированное значение Uпдпi, В
1	23	77,30	81,46	78,2	82,36
2	20	79,50	83,69	79,5	83,69
3	22	78,20	82,54	78,8	83,14
4	23	81,15	86,05	82,1	87,00
5	22	79,7	83,94	80,3	84,54

Затем по результатам измерений определили эквивалентную теплоемкость C_ппi упомянутой i-й контролируемой обмотки по формуле:

После определения у каждой контролируемой обмотки эквивалентных теплоемкостей C_дпi и C_ппi находили массу пропиточного состава m_i в каждой i-й контролируемой обмотке по формуле:

Качество пропитки каждой i-й контролируемой обмотки определяли коэффициентом пропитки K_прi по формуле:

Для обмоток статора двигателя 4А112М4 величина то была равна

m₀=d_с V₀=1070×0,00042382=0,454 кг,

где

Результаты всех измерений контролируемых обмоток до пропитки и после нее с внесенными температурными поправками в измеренные напряжения представлены в таблице в таблице 6

Таблица 6
До пропитки t1=10 с					После пропитки t2=17,5 с,
i	U1дпi, B	U2дпi, B	Tдпi, °C	Cдпi, Дж/°C	U1ппi, B	U2ппi, B	Tппi	Сппi, Дж/°С	mсi , кг	Kпрi
1	78,2	81,2	10,08	980	78,2	82,36	13,99	1249,8	0,154	0,34
2	79,5	82,56	10,14	990	79,5	83,69	13,88	1275,7	0,163	0,36
3	78,8	81,94	10,49	950	78,8	83,14	14,50	1211,9	0,150	0,33
4	82,1	85,63	11,3	920	82,1	87,00	15,74	1166	0,141	0,31
5	80,3	83,45	10,31	985	80,3	84,54	13,9	1286,6	0,173	0,38

Для сравнения со способом-прототипом пять обмоток статора двигателя 4А112М4 пропитывались одинаковой объемной дозой пропиточного состава МЛ-92 равной 300 мл, после чего сушились. После сушки и остывания изделий до комнатной температуры осуществлялся контроль качества пропитки их межвитковых полостей по способу-прототипу и по заявляемому способу. Результаты контроля внесены в таблицу 7.

Таблица 7
Kпрi по заявляемому способу	0,33	0,34	0,32	0,33	0,35	0,36	0,31
Kпрi по способу-прототипу	0,18	0,41	0,27	0,38	0,22	0,29	0,19

Реальный коэффициент пропитки всех обмоток с учетом усадки высыхающего пропиточного состава был одинаков и равен Kпр=0,150/0,454=0,33.

Как следует из приведенной таблицы 7, заявляемый способ контроля качества пропитки обмоток электротехнических изделий, более точен и достоверен, по сравнению со способом-прототипом.

Источники информации

1. Галушко А.И., Максимова И.С. Онач Р.Г. и Хазановский П.М. Надежность изоляции электрических машин. М., "Энергия", 1979, с.43.

2. Барамбо К.Н. и Бернштейн П.М. Сушка и компаундирование обмоток электрических машин. М., "Энергия", 1967, с.105.

3. Авторское свидетельство СССР № 1241361, кл. H02K 15/12. Способ определения коэффициента пропитки обмоток электрических машин / Г.В.Смирнов, Г.Г.Зиновьев. Опубл. 30.06.86. в Б.И. № 24.

4. Авторское свидетельство СССР № 1709470, кл. H02K 15/12. Способ определения коэффициента пропитки отверждаемым полимерным составом обмоток электрических машин / Г.В. Смирнов. Опубл. 30.01.92. в Б.И. № 4 (прототип).

5. Г.В.Смирнов. Надежность изоляции обмоток электротехнических изделий. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 1990, стр.96 формула 3.3.

6. http://www.ura-remontu.ru/raschet-secheniya-provoda-po-toku.html