автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.02, диссертация на тему:Разработка и исследование эмалированной алюминниевой фольги для обмоток электроаппаратных катушек и трансформаторов

ВВВДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ЭМАЛИРОВАННОЙ

АЛЮМИНИЕВОЙ ФОЛЬГИ.V.

2. ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ТЕХНОЛОГИИ ЭМАЛИРОВАНИЯ И АНАЛИЗ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА КРАЯХ ЭМАЛИРОВАННОЙ

АЛЮМИНИЕВОЙ ФОЛЬГИ.

2.1. Вопросы нанесения на ленту и фольгу эмалевых покрытий из синтетических лаков

2.2. Определение технологических параметров процесса эмалирования алюминиевой фольги.

2.3. Анализ электрического поля на краях эмалированной алюминиевой фольги и рекомендации по нормам испытательных напряжений эмалированной алюминиевой фольги.

2.4. Теоретическое исследование вопроса покрытия лаком узких торцов фольги.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПО РАЗРАБОТКЕ

ЭМАЛИРОВАННОЙ АЛЮМИНИЕВОЙ ФОЛЬГИ

3.1. Разработка экспериментальной установки для эмалирования алюминиевой фольги.

3.2. Исследование технологичности электроизоляционных эмалевых лаков для эмалирования алюминиевой фольги

3.3. Экспериментальное исследование по разработке оптимального режима обработки торцов рулона алюминиевой фольги.

3.4. Физико-механические характеристики эмалированной алюминиевой фольги.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯШОННЫХ

ХАРАКТЕРИСТИК ЭМАЛИРОВАННОЙ АЛЮМИНИЕВОЙ ФОЛЬГИ

4.1. Электроизоляционные характеристики.

4.2. Расчет испытательных напряжений эмалированной алюминиевой фольги.

4.3. Оценка технологической надежности изоляции эмалированной алюминиевой фольги.

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭМАЛИРОВАННОЙ АЛЮМИНИЕВОЙ ФОЛЬГИ В ОБМОТКАХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ВЗАМЕН ОБМОТОЧНЫХ ПРОВОДОВ.

Современная техника предъявляет все более высокие требования к электрическим машинам и аппаратам. Разработка и конструирование последних с улучшенными характеристиками требует создания новых видов обмоточных проводов, отвечающих более высоким требованиям по электрическим, физико-механическим и экономическим показателям*

В связи с применением новых видов обмоточных проводов со всей серьезностью встал вопрос усовершенствования конструкции и технологии их производства.

Для успешного решения задач, поставленных перед электромашиностроителями, требуется разработка и более совершенная технология создания новых видов обмоток, являющихся одним из основных узлов электротехнических изделий (аппаратных катушек, трансформаторов и др.).

В этой области техники одна из важнейших проблем - это уменьшение габаритов электрического оборудования путем применения изолированных проводов, обеспечивающих оптимальное использование рабочих объемов. Рост производства медных эмалированных проводов новейших типов обусловлен малой толщиной эмалевой изоляции, ее высокой электрической прочностью и нагревостойкостью.

Вместе с тем ряд важных причин вццвигает вопрос о необходимости замены медного провода алюминиевым, что обусловлено:

- дефицитом меди в связи с более быстрыми темпами развития электротехнической промышленности по сравнению с ростом добычи меди;

- снижением себестоимости алюминия, вызванным значительным увеличением объема производства и постоянно снижающейся стоимостью электроэнергии.

Снижение материалоемкости выпускаемых трансформаторов и электрических аппаратов, как указывалось выше, - важная проблема электротехнической промышленности, никогда не теряющая своей актуальности»

В Постановлении ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 4 июля 1981 года "Об усилении работы по экономии и рациональному использованию сырьевых, топливно-энергетических и других материальных ресурсов" говорится, что "по сравнению с лучшими мировыми показателями на единицу национального дохода у нас затрачивается больше сырья и энергии". Отсюда необходимость ". активизировать прикладные исследования по актуальным проблемам ускорения научно-технического прогресса в целях снижения материалоемкости производства".

Поэтому следует, насколько это возможно, обоснованно и экономично применять материалы - обмоточные провода в трансформаторах и аппаратных катушках, где в большом количестве используются дорогостоящие цветные металлы,

В решениях ХХУ1 съезда КПСС указывается: ",,, освоить производство новых видов электрокабельных изделий, рассчитанных на повышенное напряжение, и теплостойких проводов".

Однако замена медного провода алюминиевым приводит к увеличению габаритов и веса электротехнических изделий, так как удельное электросопротивление алюминиевого провода на 64 % больше медного, чем снижается практический эффект простой замены металла проволоки,

В последнее время в электротехнической промышленности широкое применение находят алюминиевая фольга и лента.

Высокая электропроводность алюминия на единицу веса и способность легко покрываться изолирующей оксидной пленкой и эмалевым покрытием позволяют успешно применять его в виде фольги. В ряде случаев целесообразно применение изолированной алюминиевой фольги взамен круглых медных проводов, при этом габариты электроустановок могут оставаться практически без изменения, что делает актуальной постановку задачи об использовании фольги в электрических аппаратах, в частности для обмоток трансформаторов.

Использование изолированной алюминиевой фольги в обмотках взамен проводов дает не только высокий коэффициент заполнения, но и улучшает их тепловые и электрические характеристики. Намного повышается механическая прочность обмотки, упрощается технологический процесс, автоматизируется процесс намотки.

В ряде стран (Англия, США., Франция, ГДР, Польша и др.) проводятся исследования по применению алюминиевой фольги в обмотках. В США. налажено серийное производство распределительных трансформаторов I и П габаритов с обмотками из алюминиевой фольги в сочетании со специальной бумажной и пленочной межвитковой изоляцией.

За рубежом проделан также ряд работ по применению алюминиевой фольги с эмалевой изоляцией. Однако технология эмалирования алюминиевой фольги еще недостаточно отработана;

Разработка алюминиевой фольги с эмалевой изоляцией и технология ее изготовления с использованием высокопрочных синтетических эмалевых лаков требует проведения ряда исследований и большой экспериментальной работы.

Таким образом, необходимость разработки эмалированной алюминиевой фольги и ее актуальность не вызывает сомнений.

Целью настоящей работы является исследование и разработка эмалированной фольги, с решением вопроса покрытия узких торцов эмалевой пленкой для применения в обмотках электрических аппаратов и трансформаторов*

Настоящей работой впервые в Советском Союзе делается попытка в какой-то мере восполнить этот пробел.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработаны вопросы теории наложения тонкослойной эмалевой изоляции на алюминиевую фольгу. Установлены зависимости, позволяющие определить основные технологические параметры эмалирования алюминиевой фольги;

- теоретически и экспериментально исследован вопрос покрытия лаком торцов фольги. Предложен способ обработки торцов фольги и технология ее эмалирования [78J ;

- произведен анализ электрического поля и решена задача о распределении напряженности электрического поля в неоднородной среде;

- теоретически исследовано влияние внешней среды на превышение напряженности поля ввиду различных диэлектрических проницаемос-тей слоя изоляции и окружающей образец внешней среды.

На основании проведенных исследований:

I» Разработана технология эмалирования алюминиевой фольги* Установлены оптимальные режимы эмалирования с учетом допустимой скорости нагрева фольги,

2* Разработаны установки для эмалирования, на которых исследованы и уточнены оптимальные технологические режимы эмалирования,

3, Проведено исследование адгезионной прочности эмалевых ла- • ков: полиэфирной, полиуретановой и поливинилацеталевой.

4, Предложены методики определения физико-механических, электрических свойств изоляции эмалированной алюминиевой фольги и нормы испытательных напряжений эмалированной алюминиевой фольги с учетом превышения напряженности поля на торцах.

На основании проведенных исследований разработана эмалированная алюминиевая фольга марки ФЭА-Е,; которая рекомендуется взамен обмоточных проводов в качестве обмоток силовых трансформаторов и аппаратных катушек.

I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ЭМАЛИРОВАННОЙ

АЛЮМИНИЕВОЙ ФОЛЬГИ

В мировой практике в электротехнической промышленности все большее применение находят алюминиевая фольга и лента взамен круглых проводов при изготовлении обмоток генераторов,муфт скольжения» расцределительных силовых трансформаторов, дросселей, бытовых электрических приборов и др. [l-8, 13,14-, 20-2б].

Несмотря на снижение цены меди на мировом рынке, как отмечалось на совещании представителей западноевропейских фирм, алюминий находит все большее применение в аппаратных и трансформаторных катушках благодаря возможности получения его в виде ленты и фольги, что упрощает процесс намотки катушек и увеличивает коэффициент заполнения [22].

Простая замена медных проводов алюминиевыми приводит к увеличению объема обмоток, так как электрическое сопротивление алюминия в 1,65 раза выше, чем у меди, и поэтому сечение алюминиевой проволоки с таким же электрическим сопротивлением, как у медной, должно быть во столько же раз больше [5].

Более высокая электропроводность алюминия по сравнению с медью на единицу веса и способность покрываться изолирующим эмалевым лаком позволяют успешно применять его в виде фольги.

В катушках электромагнитов, в трансформаторах и дроссе-^ лях алюминиевая фольга может заменить существующие обмоточные цровода, в частности круглую медную проволоку, без изменения их габаритных размеров [l,3,2o].

В качестве первых опытов с алюминиевой фольгой были изготовлены и исследованы катушки для электромагнитного тормоза. Вместо круглой медной проволоки диаметром 1,2 мм была использована алюминиевая фольга толщиной 0,02 мм, шириной 80 мм. В качестве междуслойной и межвитковой изоляции использовалась конденсаторная бумага толщиной 0,012 мм, шириной 90 мм [i].

Уже давно началось в других странах, особенно в США, применение алюминиевой фольги для намотки электрических катушек. Сегодня там такие катушки производятся в больших масштабах, очевидно они оправдывают себя

Фирма " H.K.Porter Со." [2] выпустила трансформатор, в котором низковольтная обмотка изготовлена из алюминиевой ленты. Впоследствии эта же фирма разработала новый распределительный трансформатор, в котором как первичная, так и вторичная обмотки выполнены из алюминиевой ленты с теплостойкой эпоксидной изоляцией.

В США налажено серийное производство распределительных трансформаторов I и П габаритов с обмотками из алюминиевой фольги. По данным фирмы " Ailis-Chaimers" в эксплуатации находятся около 300 тысяч таких трансформаторов i].

Другая американская фирма 11 westing-House El.Со. " разработала с использованием фольги силовые трансформаторы в сухом исполнении мощностью до 75 кВА и выпускает их около 65 тысяч в год [5].

Фирма " Brownn Boveri " изготовила первые опытные образцы таких трансформаторов уже в 1964-1965 гг. [i].

Таким образом, алюминиевая фольга начнет вытеснять медную при производстве силовых трансформаторов и трансформаторов для распределительной сети. Применение алюминиевой фольги только лишь в вышеуказанных трансформаторах повысило спрос на алюминиевую фольгу в Великобритании минимально на 10$. Для производства трансформаторов мощностью 500-1000 кВА потребуется ежегодно не менее 12000 т алюминиевой фольги 14 .

Алюминиевая фольга применяется также в катушках, работающих с постоянным током, в лампах с бегущей волной (ЛЕВ) и соленоидах. В меньших катушках используется фольга с лаковым покрытием, а в больших - применяется анодированная фольга. Она также используется в осветительных дросселях, управляющих соленоидах, коммуникационных соленоидах, в электронаправляющих магнитах и т.д. Применение катушек из алюминиевой фольги целесообразно в больших подъемных магнитах и магнитах сортировочных устройств [?]. Для сварочных трансформаторов были сконструированы прототипы, отличающиеся небольшим весом и технически безопасные. В некоторых исследовательских институтах применяли катушки из алюминиевой фольги для получения сильного однородного магнитного поля.

Одним из больших производителей распределительных трансформаторов с обмотками из алюминиевой фольги является фирма "South vJales Switchgear Основная ПОТОЧНаЯ ЛИНИЯ фирмы расОЧИтана для производства трансформаторов мощностью 500-1000 кВА, такие трансформаторы являются более экономичными [4].

Известно, что при использовании в обмотках проводов круглого или прямоугольного сечения максимальная разность потенциалов между слоями может достигнуть значения Zn& (где п - число витков в слое, рис.1.1.а) При использовании же алюминиевой фольги производится спиральная намотка с соответствующей изоляцией. Разность потенциалов между отдельными слоями нигде не превышает величину межвиткового напряжения £ (рис.1.1.б).

При этом улучшаются не только электрические характеристики, но и другие показатели: а) повышается коэффициент заполнения. В катушках, намотанных круглым проводом, имеются значительные воздушные прослойки (коэффициент заполнения 40-75^), в то время как при обмотке

0+2

2п-{ 2п 11 п 7П Jji2

2пЕ а.

S.

3 2 i

IЕ £ £

Рис.1.1. Виды обмотки алюминиевой фольгой весь объем занимает только металл и изоляция. В этом случае коэффициент заполнения достигает величины 80-95* [l,s]; б) упрощается технологический процесс намотки. Намотка катушек может производиться на тонкие цилиндрические каркасы, при этом отпадает необходимость в использовании торцовых флянцев; в) улучшаются тепловые характеристики катушки. Вследствие большой поверхности соприкосновения витков исключаются местные перегревы и улучшаются условия теплоотвода. Обмотки, выполненные из алюминиевой фольги, обладают меньшим перепадом температуры по слоям, лучшим балансом осевых магнитных сил, допускают более высокую перегрузку по току за счет большей теплоемкости, они более стойки к перенапряжениям благодаря большей емкости между витками [5,20,2з]; г) значительно повышается механическая прочность обмотки. Благодаря значительной ширине ленты резко увеличивается поверхность соприкосновения между смежными слоями, а это приводит к плотной и равномерной намотке всей катушки; д) сокращается приблизительно вдвое вес намотанных катушек по сравнению с весом эквивалентных медных катушек [23,25]; е) сокращается стоимость материалов и производственные расходы [5] .

Межвитковая изоляция обмоток из алюминиевой фольги осуществляется тремя способами: прокладка электроизоляционного органического материала; оксидное покрытие фольги; эмалевая изоляция фольги.

Указанные виды изоляции имеют свои достоинства и недостатки. В качестве электроизоляционных материалов могут применяться бумага или синтетические пленки, причем прокладка должна быть шире настолько, чтобы у готовой катушки изоляция по обоим торцам была шире алюминиевой фольги на 1-3 мм. Этим предотвращается пробой через края фольги |4,б].

При намотке в синтетической пленке возникает определенное напряжение, в силу чего она немного расширяется в местах соприкосновения с алюминиевой фольгой, в то время как на выступающих краях сохраняет свой первоначальный размер, охватывая алюминиевую фольгу по краям [4J.

Представляют интерес разработанные во ВНИИКЭ конструкции катушек галетного типа с изоляцией из полиэтилентерефталатной пленки марки ПЭТФ толщиной 6-10 мкм и силовых трансформаторов П габарита с напряжением до 10 кВ, с пространственными магни-топроводами и обмотками из алюминиевой фольги [б,2lJ •

Анодирование поверхности алюминия позволяет получать прочную гибкую изоляционную пленку, свойства которой обусловлены ее толщиной и технологическим процессом анодирования. Оксидная изоляция может выдержать температуру, превышающую температуру плавления алюминия. Для получения достаточной электрической и механической прочности минимальная толщина пленки должна быть 1,5-2,5 мкм с каждой стороны [4,5] • Так как эти толщины значительно меньше толщин, получаемых при прокладке алюминиевой фольги изоляционными материалами, то использование оксидных пленок обеспечивает более высокий коэффициент заполнения катушек.

При использовании оксидной изоляции очень важно, чтобы пленка была непрерывной как на поверхности, так и с краев фольги, иначе могут происходить короткие замыкания.

Для получения качественной изоляции необходимо с помощью механической или химической обработки снять заусенцы .

Изготовление катушек галетного типа из алюминиевой фольги с оксидной изоляцией производится двумя способами ♦ 6j г а) алюминиевая фольга произвольной ширины анодируется, разрезается на ленту требуемой ширины и наматывается на галеты круглой формы, стыки намотанных катушек дополнительно анодируются; б) анодирование осуществляется на предварительно разрезанных по ширине полосках фольги с одновременной намоткой её в кассеты. Однако вторичная намотка с кассет на катушки приводит к ухудшению изоляции и образованию короткозамкнутых витков. Кроме того, существующие конструкции катушек галетного типа из анодированной алюминиевой фольги сложны в изготовлении, требуют дорогостоящего оборудования для резки фольги с высокой точностью, а также анодирования и последующей намотки катушек. Поэтому зачастую стоимость катушек из анодированной алюминиевой фольги выше, чем из медного провода

Наиболее существенный недостаток оксидной изоляции состоит в том, что окись алюминия гигроскопична, что отрицательно сказывается на величине электрической прочности, особенно при высоких напряжениях]?,II].

В тех случаях, когда требуются не высокие рабочие температуры (не более 120°С), а высокие рабочие градиенты напряжения в изоляции и повышенная влагостойкость, целесообразно применение для изоляции эмалевых пленок.

На алюминиевую ленту, полосу и на фольгу можно нанести тонкие эмалевые покрытия, обеспечивающие хорошие электроизоляционные и механические свойства межвитковой изоляции.

Разработанные в последние годы синтетические эмали с хорошими механическими, тепловыми и электрическими свойствами позволили применять эмалированные ленты в катушках электромагнитов и трансформаторах.

За рубежом проделан ряд работ по применению алюминиевой фольги с эмалевой изоляцией для электрооборудования [з,8,IlJ, [15,18,27].

Отдел распределительных трансформаторов фирмы и Westing^ House El. Co." [2] разработал совершенно новый тип трансформатора, в котором катушки намотаны эмалированной алюминиевой фольгой и встроены в сплошной блок с литой эпоксидной смолой.

Эмалированная алюминиевая фольга этой фирмы изготовляется толщиной в пределах 0,025-1,93 мм, шириной 50,8-915 мм, покрытие соответственно эпоксидное и полиэфирное.

Устранение возможных витковых замыканий из-за разрезания широкой катушки на несколько узких достигается травлением последних в кислоте. Но этот метод затрудняет подсоединение выводов и усложняет технологию

По данным И.Отаке [з], эмалевое покрытие алюминиевой фольги выполняется методом горячего нанесения на поверхность проводника синтетического эмалевого лака. При этом характеристики эмалевой пленки мало отличаются от аналогичных пленок проводов. Поэтому эмалированная алюминиевая фольга выполняется на полиэфирной, поливинилацеталевой и эпоксидной основе. Для получения нужной ширины эмалированные ленты (фольга) разрезаются; затем для удаления заусенцев фольга подвергается специальной обработке. При достаточной ширине фольги с помощью механической обработки можно довольно легко устранить как неровности, так и выступы на торцах катушки. Для обработки тонкой фольги из-за трудности механической обработки применяются другие способы [з].

В патентах США [8,Il] рекомендуется фольгу покрывать синтетическим полимером (поливинилацеталевые, кремнеорганические лаки), разрезать на полосы требуемой ширины и наматывать из них катушки или секции конденсаторов. Заусенцы на торцах удаляют в гальванической ванне; одновременно на торцах формуется оксидный изоляционный слой.

В одном из французских патентов [ю] рассматривается метод изолирования металлической фольги толщиной 0,02-0,08 мм. Металлическую фольгу покрывают слоем лака, а затем - электроизоляционными пленками толщиной в несколько мкм, выступавшими за край фольги на 0,2-0,3 мм. Лак смачивает пленки и изолирует край фольги, кромки пленок вместе свариваются.

Технология изолирования металлической фольги по этому методу очень сложна. По сравнению с изоляцией из дорогостоящих изоляционных пленок коэффициент заполнения катушек, намотанных эмалированной фольгой* выше.

Английским патентом [э] рекомендуется разрезать до нужного размера широкую, предварительно эмалированную фольгу и наматывать в катушки, потом обрабатывать торцы травлением. Зачастую, вместо травления применяется электролитический способ обработки торцов. Данным патентом также предлагается обработка выступов фольги в среде высокотемпературной электрической дуги вплоть до полного их исчезновения, а также способ спрямления и закругления выступов с помощью цилиндрического ролика.

Остановимся на некоторых наиболее перспективных методах эмалирования фольги практически осуществляемых; интенсивные исследования ведутся в ряде стран, в нашей стране также проводятся работы в этом направлении [6,20,21,60].

С.Токаси [it] предлагает способ эмалирования алюминиевой фольги, суть которого в следующем.

Широкое алюминиевое полотно, обе поверхности которого покрыты пленкой смолы, нарезается на ленты требуемой ширины. Далее оба края подвергаются обжатию, после чего обжатые части покрываются изоляционной пленкой (рис.1.2.а,б,в,г).

Рис.1.3. Изолирование торцов способом травления

Степень обжатия рекомендуется менять в соответствии с материалом» толщиной пленки и целью использования ленточного проводника.

Следует отметить, что предлагаемый Токаси способ довольно трудоемок и сложен. Кроме того, применение этого способа для эмалирования алюминиевой фольги толщиной менее 0,1 мм представляет технологические трудности.

А.М.Локи [1б] для эмалирования алюминиевой фольги предлагает использовать электростатическое поле высокого напряжения. При этом электроды устанавливаются в печи, лакированная фольга пропускается между электродами, способствующими поддержанию лака на торцах фольги.

Предложенный А.Локи другой вариант характеризуется установкой обжимающих роликов непосредственно в печи. Ролики обжимают еще неполностью затвердевший лак, и за счет выдавливаемого лака покрываются торцы.

Японский исследователь Табаку Си jiej предлагает метод, основанный на травлении торцов после первого эмалирования: на одну из поверхностей фольги реверсивным валиком наносится электроизоляционный лак, который подвергается теплообработке (рис.1.3.а). Далее оба края металлической фольги подвергаются травлению кислотой, щелочью или способом электролиза (рисД.3.6). Затем обрабатываемая фольга вторично погружается в ванну с изоляционным лаком. В результате покрытия лаком обеих поверхностей и последующей сушкой получают изолированную фольгу с разрезом, показанным на рис.1.3.в.

Существенный недостаток этого способа - это двойное эмалирование одной из поверхностей.

Кроме того, как известно, травление после эмалирования вызывает оседание частиц кислоты или щелочи, что в дальнейшем может привести к разрушению изоляции.

Для нанесения эмалевого лака и закрепления покрытия корпорации "Westing-House" [l5] использует обыкновенный многослойный способ эмалирования проводов, с последующим травлением торцов алюминиевой фольги. Многократное покрытие достигается с помощью повторной обработки той же самой полосы фольги - размоткой и перемоткой фольги для каждого слоя. Многократное покрытие получают, также применяя ряд горизонтальных установок для эмалирования. Недостатки этого способа очевидны: установка занимает большую производственную площадь, покрытие с обеих сторон неравномерное, травление торцов осуществляют после эмалирования, технология трудоемкая.

Существует также метод, который условно можно назвать "метод сложения", при этом методе необходима более тонкая и более дорогостоящая алюминиевая фольга для данного сечения проводника (удвоение сечения) [l9] . Кроме того, выравнивать складки изгиба фольги невозможно без повреждения краев. Сильная деформация эмали при острых краях изгиба является причиной появления слабых мест изоляции, особенно при высоком электрическом напряжении.

Многочисленные труды [28,29,30] относительно электрофоре-тического осаждения изоляции на краях фольги показали, что процесс этот трудно поддается контролю, не всегда обеспечивает надежное покрытие и способствует чрезмерному осаждению изоляции на краях фольги, вызывая образование заусенцев на краях.

Другие авторы [l5] считают, что травление продольных краев фольги с повторным эмалированием - наиболее приемлемый способ изоляции краев фольги.

Перечисленные методы изготовления катушек с эмалированной алюминиевой фольгой по существу аналогичны друг другу: заранее эмалированная фольга достаточно большой ширины разрезается на узкие полосы необходимой ширины* полученные торцы фольги обрабатываются до или после намотки катушек.

Получение изолированной алюминиевой фольги указанными методами усложняет технологию изготовления катушек, при этом повышаются производственные расходы. Кроме того, оксидная изоляция на торцах недостаточно надежна [?»12] и затрудняет получение катушек с качественными торцами, без коротко-замкнутых витков [5,12].

Указанные недостатки методов изготовления катушек из эмалированной алюминиевой фольти и затруднения при их намотке свидетельствуют о необходимости проведения серьезных исследований по усовершенствованию этих процессов*

Обработка торцов в основном производится химическим или электрохимическим способами. В современной периодической литературе не имеется достаточных сведений об обработке торцов алюминиевой фольги [31-39].

В отечественной и зарубежной литературе даны многочисленные рекомендации по электролитам для химического полирования поверхности алюминия [40-44], однако промышленное признание нашли пока немногие из них.

Наиболее известны растворы для химического полирования, разработанные в ФРГ, под названием "Алуполь" и "Эрфтверк" [42] .

Щелочный раствор типа "Алуполь-I" имеет следующий состав (г/л): едкий натрий - 450, азотнокислый натрий - 250, фосфорнокислый натрий - 200, азотнокислая медь - 3. Рабочая температура электролита - 130-140°С, продолжительность полирования -15-20 сек.

К существенным недостаткам щелочного раствора можно отнести и большую скорость растворения металла при интенсивном газовыделении и невысокую степень чистоты обработки отполированных деталей.

Для промышленной электрополировки разработаны три технологических процесса, получившие названия "Бриталь", "Альзак" и "Бателле" [42] . Все процессы состоят из двух стадий: электрополировка и анодная обработка.

Ортофосфорная кислота - наиболее распространенный электролит для электрополировки.

Высокая адгезионная способность оксидных пленок, получаемых анодной обработкой, обеспечивает хорошее сцепление с основой.

Для анодирования алюминия предложено много электролитов [42,45]. Практическое применение нашли лишь хромовокислые, щавелевокислые и сернокислые электролиты.

В щавелевокислых электролитах получаются анодные пленки с весьма высокими электроизоляционными свойствами. Поэтому эти электролиты используются для получения оксидной изоляции на алюминиевых проволоке, ленте и фольге [42].

Указанные методы обработки поверхности алюминия не совсем пригодны для обработки торцов алюминиевой тонкой фольги, так как при этом происходит разрушение поверхности торцов фольги.

Проведение исследований по выбору оптимальной рецептуры электролитов и корректировки режимов полирования и анодирования узких торцов алюминиевой фольги является актуальной задачей.

Приведенный обзор показывает, что существующие способы полирования и анодирования алюминиевой фольги и ее эмалирования имеют ряд недостатков, препятствующих успешному внедрению её в производство.

Отставание в этой области требует усиления исследований, направленных на решение технологических задач по эмалированию алюминиевой фольги требуемой ширины, предназначенной для применения в электрических катушках, аппаратах и трансформаторах.

В настоящей работе рассматриваются следующие задачи разработки технологии производства эмалированной алюминиевой фольги:

I* Выбор и обоснование необходимой рецептуры электролитов, оптимальных режимов полирования и анодирования торцов алюминиевой фольги.

2. Исследование и разработка технологического процесса наложения тонкослойной эмалевой изоляции на алюминиевую фольгу требуемой ширины.

3. Установление физико-механических свойств и электроизоляционных характеристик эмалированной алюминиевой фольги для применения в электроаппаратных катушках и трансформаторостроении.

Исследования по применению алюминиевой фольги с эмалевой изоляцией цроведены нами впервые в стране.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие основные выводы и рекомендации:

1. Исследованы и разработаны теоретические вопросы наложения тонкослойной эмалевой изоляции на алюминиевую фольгу. На основании этих исследований найдена связь между толщиной пленки и геометрией калибрующих роликов, позволяющая определить зазор между калибрующими роликами для эмалирования алюминиевой фольги разных размеров.

2. Получены и экспериментально проверены эмпирические формулы, определяющие предельно допустимую скорость эмалирования для алюминиевой фольги и зависимость времени сушки от толщины накладываемой лаковой пленки. Предложен график зависимости скорости и времени сушки от толщины пленки. Разработана методика определения скорости эмалирования, учитывающая предельно допустимую скорость нагрева фольги.

3. Исследован и разработан метод для покрытия лаком торцов фольги. Установлены минимальный радиус закругления и толщина фольги, а также величины избыточного давления лака, при которых создаются условия для покрытия узких торцов фольги эмалевой пленки.

Предложен способ эмалирования алюминиевой фольги, основанный на применении специального лакового узла с применением калибрующих роликов. Торцы фольги в рулоне подвергаются анодированию перед эмалированием. Непосредственное эмалирование алюминиевой фольги необходимой ширины после анодирования обеспечивает более надежную изоляцию торцов.

5. Проведено исследование адгезионной прочности эмалевых лаков: полиэфирного, полиуретанового и поливинилацеталевого.

Показано, что адгезия к оксидированной фольге для всех лаков значительно выше, чем к неоксидированной. Адгезия лака ВЛ-931 намного выше, чем у лаков УЛ-I и ПЭ-939 как к оксидированной, так и к неоксидированной алюминиевой фольге.

6. На основании проведенных исследований разработана технология эмалирования алюминиевой фольги. На экспериментальной установке исследованы и уточнены оптимальные технологические режимы эмалирования.

7. Разработана методика для определения физико-механических и электрических свойств изоляции эмалированной алюминиевой фольги. Исследованы механические и электрические характеристики эмалированной алюминиевой фольги в зависимости от температуры и влажности. Электрические и механические свойства изоляции алюминиевой фольги находятся на уровне изоляции круглых эмалированных проводов, а иногда и превышают этот уровень.

8. Исследовано электрическое поле на краях эмалированной алюминиевой фольги с учетом превышения напряженности поля и рекомендованы нормы испытательных напряжений.

Рассчитано влияние неоднородности среды на превышение напряженности поля, ввиду различных диэлектрических проницаемостей слоя изоляции и окружающей образец внешней среды.

9. На основании проведенных исследований разработана эмалированная алюминиевая фольга марки ФЭА-Е (фольга эмалированная алюминиевая с температурным индексом 120 °С) и рекомендована взамен обмоточных проводов в качестве обмоток силовых трансформаторов и аппаратных катушек.

10. Составлены ТУ на разработанную эмалированную алюминиевую фольгу марки ФЭА-Е.

11. Изготовлена опытная партия эмалированной алюминиевой фольги и испытана во ВНИИКЭ в конструкциях. На основании этих исследований подтверждена возможность и целесообразность применения эмалированной алюминиевой фольги в обмотках маломощных тран -сформаторов и дросселей блоков регулирования напряжения генераторов серии ОС мощностью до 100 кВт.

12. Показано технико-экономическое преимущество применения ФЭА-Е взамен обмоточных проводов в обмотках силовых трансформаторов I и П габаритов и аппаратуры регулирования напряжения генераторов серии ОС мощностью до 100 кВт.

Годовой экономический эффект от внедрения эмалированной алюминиевой фольги в объеме производства ПО "Армэлектромаш"сос-тавит 1,2 млн.рублей.

13. Во исполнение Постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 20 июля 1978г. № 619 (приложение 7), где поручено, начиная с 1979 года, организовать производство алюминиевой электротехнической фольги толщиной 0,02 4-0,2 мм в объеме 2700 тонн в год, рекомендуется организовать производство эмалированной алюминиевой фольги на базе исследований, приведенных в данной диссертационной работе.

1. Pelican Т. "Modern Distribution Transformers with Winding of Aluminium Foil."Brown Boveri Mitt", 1967, v.54, No 7.

2. Cherch F.L. "Application of Aluminium Bands for Winding. "Modern Metals", 1964, 20, No 9.

3. Отаке И. Алюминиевая фольга, используемая в качестве изоляционного покрытия. "Коге Дзайре", 1966, т.14, № 7, 51-53.

4. Муглойзер М., Зинген Г. Применение алюминиевой фольги , для изготовления электрических катушек. "Алюминиум", 1965, № 2, 98-100.

5. Haggit J.S. Aluminium in Transformers. "Electrical Times" 1964, July.

6. Алексеевский В., Чатинян Ю., Акопян В. Катушки галетно-го типа из алюминиевой фольги для аппаратуры регулирования генераторов. "Промышленность Армении", Ереван, 1968, № I.

7. Hardwick Н.С. Recent Developments in the Use of Aluminium Foil. "Metallurgist", 1966, 4, No I, 2-5.

8. Патент Ш 3223896 (США). "Секция электрических конденсаторов из алюминиевой фольги". РЖ "Электротехника и энергетика", 1967, 2Б118П.

9. Патент № 989319 (Англия). "Метод производства металлической фольги изоляционным покрытием".

10. Патент J6 1438442 (Франция), 1966. "Метод изолирования металлической фольги". РК "Электротехника и энергетика", 1967, 5Б130П.

11. Патент № 3235472 (США), 1964. "Изготовление катушек из фольги".

12. Walton J.D., Harres J.W. High Temperature Insulation for Wire. "Space Aeronautics", 1959, v.31, No I, 150-154.

13. Bermete Al. The aluminium foil for magnetic wire transformers. "Electrical Times",1968, v.153, January, 54-55.

14. Aluminium foil cuts costs in high and low voltage windings. "EM 68", June, 39-40.

15. Croop E.J., Westervelt D.S. "Enamel insulated aluminium foil conductor". "Proc. 7th Electr. Insulat.Conf.Chicago", 1967, 288 291.

16. Патент № 3401058 (США), 1968. "Способ нанесения покрытий на электрические проводники". Р! "Электротехника и энергетика", 1969, 9Б68П.

17. Патент № 20243 (Япония), 1967. "Способ изготовления алюминиевого ленточного проводника с покрытием из смолы". РЖ "Электротехника и энергетика", 1969, 2Б183П.

18. Патент № 3660 (Япония), 1968. "Способ изготовления изолированной проводящей фольги". ?Ж "Электротехника и энергетика", 1969, 4Б.

19. Kocherhans Erich Thermolackierte Aluminium Bander in der Isoliertechnick "Schweizer Aluminium Eundschau", 1967, Nr 7, October.

20. Чилингарян P.К., Вартанян Э.Г. Вопросы применения алюминиевой фольги для обмоток силовых трансформаторов П габарита. Труды ВНШКЭ, Ереван, 1970, т.З, 234-243.

21. Чилингарян Р.К., Вартанян Э.Г., Бояджян А.В., Хажакян О.Г, Вопросы проектирования серии трансформаторов мощностью 160-630 кЭД с пространственными магнитопроводами и обмотками из алюминиевой фольги. Труды ВНИИКЭ, Ереван, 1971, т.4, 225-241.

22. The aluminium for distribution transformers. "Electricaltimes", 1975, No 4332, 13.

23. Aluminium foil cuts costs in high and low voltage windings. "Electr. and Electron.Manufact.", 1968, v.12,No 5,39-40.24. "The Perspective of Aluminium Foil Application". "Electrical Times", 1967, No 21.

24. Aluminium foil in transformer coils. "Mach. Lloyd and Electr. Engng Overseas Ed."? 1968, v.40, No I, 18-19.

25. Aluminium foil may substitute copper wire. "Product Engng", 1967, 38, No 10, 144-146.

26. Rief R.B. Electrostatic Coating of Ceramics on Metal. "Ceramic Age", 1965, v.79, No 2, 40-41.

27. Опдрейкович Э. Выбор электроизоляционных лаков для электростатического лакирования проволоки. Братислава. "Бюллетен1. Вюки", 1965, т.18, 6.

28. Baden Р.Е. Aluminium Foil Etching Techniques. "Compon

29. Technol.", 1968, 3, No 2, 11-13.

30. Патент $ 22495 (Япония), 1965. "Способ электрохимического травления алюминиевой фольги, используемой для изготовления электролитических конденсаторов". РЖ "Химия", 1967, 15Л231П.

31. Патент № II94059 (®Г), 1966. "Способ травления алюминиевой фольги для электролитических конденсаторов". РЖ "Электротехника и энергетика", 1967, 12Б.

32. Патент № 33I6I64 (США), 1967. "Травление алюминиевой фольги. РЖ "Электротехника и энергетика", 1969, 8Б115П.

33. Ридманн В. Травление алюминиевой фольги для электролитических конденсаторов. Будапешт, 1968, 285-294.

34. Патент № 2I4I0 (Япония). "Травление алюминиевой фольги.для электролитических конденсаторов". РЖ "Электротехника и энергетика", 1969, 2Б14Ш.

35. Новый метод динамического оксидирования алюминиевой фольги. "Передовой научно-технический и производственный опыт", М., 1961. Тема 16, № M-6I-4I9/23, 12-21.

36. Анодированная фольга новый обмоточный материал."Сборник рационализаторских предложений". М., Информэлектро, 1968, вып. 194, с.25.

37. Алюминиевая фольга анодированная. "Аннотированный перечень новых материалов, рекомендованных для экспериментального опробования в радиопромышленности". М., (НИИЗИР), 1967, Д? 3,с. 131.

38. Лайнер В.И. Электролитическое полирование механических изделий. М., Гизместпром, 1948, с.72,

39. Тегарт В. Электролитическое и химическое полирование металлов. М., изд-во "Иностранная литература", 1957, с.180.

40. Эйчис А.П., Темкина Б.Я. Технология поверхностной обработки алюминия и его сплавов. Москва-Киев, Машгиз, 1963, с,255.

41. Попилов Л.Я. Технология электрополирования глеталлов. Машгиз (Ленинградское отделение), 1953, с.254.

42. Попилов Л.Я. Новое в поверхностной обработке металлов (Материалы конференции), М.-Л., 1955, с.56,

43. Hughes C.J. General Procedures of Anodising. "Austral-asion Engineer", 1966, v.55, 51-54.

44. ГОСТ 618-73. Фольга алюминиевая для технических целей.

45. Дерягин Б.В. Что такое трение. Изд-во АН СССР, 1963, с.230.

46. Привезенцев В.А., Пешков И.Б. Обмоточные и монтажные провода. "Энергия", М., 1971, с.552 с илл.

47. Zanner R. Practical Establishment of Rectangular Wire Enamelling Speeds, "Wire and Wire Products", April, I960.

48. Шварцбурд В.Я. Некоторые вопросы теории и технологии производства эмалированных проводов. Диссертация, ВНИИКП, 1965, с.19Е

49. Пешков И.Б. Эмалированные провода. "Энергия", Ш,, 1968, с.94 .

50. Пособие по эмальпроизводству. СКТБМП, ГОСИНТИ, М., 1966, с.72.

51. Каминский B.C. Производство эмалированной проволоки. "Энергия", М., 1953, с.99.

52. Басин В.Е. Внутренние напряжения в пленках полимерных электроизоляционных покрытий на металлах. Сборник "Адгезия и прочность адгезионных соединений" (Материалы конференций), МДНТП, 1968, № I И № 2, II7-I20.

53. Басин В.Е. Напряжение в пленках некоторых эмальлаков. Ж. "Лакокрасочные материалы и их применение". М., 1971, № 5, 37-38.

54. Басин В.Е., Авакян А.П. Оценка адгезии к электроизоляционным материалам. Ж. "Лакокрасочные материалы и их применение". М., 1968, № 2, 46-47.

55. ГОСТ 13526-68. Лаки и эмали электроизоляционные. Общие методы испытаний.

56. Павловский Л.Л. Метод определения оптимальных режимов терморадиационной сушки лакокрасочных покрытий. Ж. "Лакокрасочные материалы и их применение". М., I960, № 4, 83-87.

57. Павловский Л.Л. Выбор оптимального режима сушки лакокрасочных покрытий в терморадиационных сушильных камерах. Ж. "Лакокрасочные материалы и их применение". М., 1964, Ш 2.

58. Тумасян З.А. Эмалированная алюминиевая фольга. "Электротехническая промышленность", серия "Кабельная техника", М., 1975, № 11(129), 19-20 .

59. Привезенцев В.А., Холодный С.Д. Некоторые вопросы теплового обмена при эмалировании проволоки. Госэнергоиздат, М., Труды НИИН1, 1958, вып.Ш, 155-167.

60. Ицхакин В.И., Мержевский А.И., Фролов А.В. Измерение температуры проволоки в процессе эмалирования. "Энергия", М., Труды НИИКП, 1959, вып.1У, I42-I5I.

61. Шварцбурд Е.Я. Вопросы теории наложения тонкослойной изоляции на круглую проволоку с помощью калибров. Л., "Энергия", Труды НИИКП, 1966, вып.Х, II9-I43.

62. Шварцбурд Е.Я. Определение толщины жидкой пленки при эмалировании круглой проволоки с помощью калибров. "Электротехническая промышленность", серия "Кабельная техника", 1963, № 6, 9-II.

63. Шварцбурд Е.Я. Гидродинамические вопросы наложения тонкослойной изоляции на провода прямоугольного сечения. М., Энергия, "Труды ВНИИКП", 1976, вып.19, I32-I4I.

64. Петров Н.П. Гидродинамическая теория смазки. М., изд-во АН СССР, 1948, с.560.

65. Тумасян З.А. Аналитическое определение толщины пленки при эмалировании алюминиевой фольги с помощью роликов. "Межвузовский сборник научных трудов", серия ХШ, "Электротехника", ЕрПИ, 1976, вып.2, 221-226.

66. ГОСТ 7855-68.Машины разрывные и универсальные для статических испытаний материалов.

67. ГОСТ 14966-69.Провода алюминиевые круглого сечения, изолированные высокопрочной эмалью.

68. ГОСТ 14340.4-69 14340. Ц-69.Эмалированные провода круглые, методы испытаний.

69. Беляев И.М. Сопротивление материалов. Госиздательство физико-математической литературы. М., 1962, с.856.

70. Козырев Н.А. Изоляция электрических машин и методы ее испытания. М.-Л., Госэнергоиздат, 1962, с.264 .

71. ГОСТ 6433.I-7I ГОСТ 6433.4-71. Методы определения электрических характеристик твердых диэлектриков .

72. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М., "Наука", 1969, с.576.

73. Зингерман А.С. Определение пробивного напряжения по испытаниям образцов. "Электричество", 1970, № 3.

74. Тумасян З.А. Новый способ изолирования алюминиевой фольги. Информационный листок. АрмНИИНТИ, 1975.

75. Тумасян З.А. Определение адгезионной прочности эмалированных лаков.'"Электротехническая промышленность", серия "Электротехнические материалы", М., 1976, вып.З, 10-11.

76. Тумасян З.А., Киракосян А.Г. Способ изолирования алюминиевой фольги. Авторское свидетельство № 437I3I. Бюллетень "Открытия, изобретения, промышленные образпр, товарные знаки", 1974, № 27,с.117.

77. Тумасян З.А., Киракосян А.Г., Григорян А.А. Эмалированная алюминиевая фольга. Ш отраслевая научно-техническая конференция молодых специалистов кабельной промышленности. Тезисы докладов, М., 1976, 0.31.

78. Алексеевский В.В., Тумасян З.А. Электрическая прочность эмалированной алюминиевой фольги. "Межвузовский сборник научных трудов", серия ХШ, "Электротехника", ЕрПИ, 1976, вып.З, 36-41.

79. Савельев И.В. Курс общей физики. М., "Наука", 1970, с.630.

80. Грабовский Р.И. Курс физики. М., "Высшая школа", 1970, с.616 .

81. Общетехнический справочник. М., "Машиностроение", 1971, с.464 .

82. Астафьев В.Е. и др. "Экономика электротехнической промышленности", М., "Энергия", 1975, с.351.

83. Шор Я.Б., Кузьмин Ф.Н. Таблицы для анализа и контроля надежности. "Советское радио", М., 1968, с.284.

84. Митропольский А.К. Техника статистических вычислений. "Наука", М., 1971, с.576.

85. Румшинский Я.З. Элементы теории вероятностей. "Наука", М., 1970, с.256 .

86. Кранихфельд Л.И. Некоторые вопросы определения надежности монтажных проводов. НТС "Кабельная техника", 1964, № 29, 24-26.

87. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов. "Энергия", М., 1976, с.544 .

88. Пешков И.Б. Выбор испытательных напряжений для изоляции эмалированных проводов. Научно-технический сборник "Электротехника", "Энергия", 1977, 3, 52-53.

89. Мантров М.И. Расчет электрических полей методом конформных отображений. M.t 1971, с.76.

90. Даревский А.И., Кухаркин Е.С. Теоретические основы электротехники, ч.2 (основы теории электромагнитного поля), М., 1965,. с.282.

91. Ре,нне В.Т. Электрические конденсаторы. "Энергия", М., 1969, с.592.

92. Нейман Л.О., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники. Часть четвертая. Теория электромагнитного поля. "Энергия1 1967.

93. Говорков В.А., Купалян С.Д. Теория электромагнитного поля в упражнениях и задачах. "Высшая школа", 1970, с.302.

94. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Методы теории функций комплексного переменного. "Наука", М., 1973, с.736.

95. Рыжик И.М., Градштейн И.О. Таблицы интегралов сумм, рядо! и произведений. М.-Л., 1963, c.IIOO.

96. Касаткин Ю.С. Применение статистического метода к расчету объективных параметров эмальпроводов. Научно-технический сборник "Кабельная техника", 1969, вып.59-60, 3-5.

97. Венецкий И.Г., Кильдишев Г.С. Основы математической статистики. М., Госстатиздат, 1963, с.308.

98. Пешков И.Б., Ларина Э.Т., Семененко М.И, Электрическое поле двух изолированных цилиндрических проводников. Научно-технический сборник "Электричество", "Энергия", 1977, II, 85-87.

99. Петровский И.Г. Лекции об уравнениях с частными производными. М., "Физико-математическая литература", 1961, с.400.

100. Новая серия силовых трансформаторов П габарита, напряжением до 10 кВ, с пространственными магнитопроводами и обмотками из алюминиевой фольги (отчет) 0ЦФ.082.074, ВНИИКЭ, Гукасян М.Г., Ереван, 1970, с.76.

101. Kreutz Н. Herstellung elektromagnetischer Spulen. "Elek.

102. Anz.11, 1982, 35, No 1-2, 19-22.

103. El-Missiry M.M. Electromagnetic forces in sheet and foil-wound transformers. "IEE Proc.", 1982, С129, Wo 2, 86-92.

104. МАКСИМАЛЬНОЕ И МИНИМАЛЬНОЕ УСИЛИЯ ОТСЛАИВАНИЯ ФОЛЬГИ