Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Системы изоляции обмоток низковольтных электрических машини анализ причин, приводящих к их отказу 12
1.1. Технологические и эксплуатационные воздействия, приводящие к износу изоляционных компонентов обмоток низковольтных электрических машин 12
1.2. Взаимодействие пропиточных составов с эмалевой изоляцией обмоточного провода 17
1.3. Обзор существующих методов оценки совместимости компонентов межвитковои изоляции 30
1.4. Выводы. Постановка задач исследования 35
Глава 2. Влияние физико-механических свойств и термодинамических параметров компонентов межвитковои изоляции на их совместимость 38
2.1 Анализ процесса разрушения межвитковои изоляции обмоток низковольтных электрических машин 38
2.2. Влияние термодинамических параметров на формирование адгезионного контакта между пропиточным составом и эмалевой изоляцией обмоточного провода 44
2.3. Физическая модель всыпной обмотки низковольтных электрических машин 54
2.4. Выводы по главе 61
Глава 3. Влияние взаимодействия пропиточных составов с эмалевой изоляцией обмоточных проводов на надежность межвитковои изоляции 63
3.1. Действие растворителей на эмалевую изоляцию обмоточных проводов 63
3.2. Исследование взаимодействия пропиточных составов с эмалевой изоляцией обмоточных проводов в процессе изготовления обмоток 70
3.3. Исследование взаимодействия пропиточных составов с эмалевой изоляцией обмоточных проводов под действием эксплуатационных нагрузок 83
3.4. Выводы по главе 90
Глава 4. Обеспечение оптимального сочетания компонентов межвитковой изоляции 92
4.1. Разработка критериев технологической совместимости пропиточных составов с эмалированными проводами 92
4.2. Разработка критериев эксплуатационной совместимости пропиточных составов с эмалированными проводами 97
4.3 Разработка методики определения совместимости компонентов системы изоляции обмоток низковольтных электрических машин 101
4.4. Выводы по главе 106
Заключение 107
Литература 109
Приложение 1
- Взаимодействие пропиточных составов с эмалевой изоляцией обмоточного провода
- Влияние термодинамических параметров на формирование адгезионного контакта между пропиточным составом и эмалевой изоляцией обмоточного провода
- Исследование взаимодействия пропиточных составов с эмалевой изоляцией обмоточных проводов в процессе изготовления обмоток
- Разработка критериев эксплуатационной совместимости пропиточных составов с эмалированными проводами
Введение к работе
Актуальность темы.
В условиях развития современного производства и рынка предъявляются все более строгие требования к качеству выпускаемой продукции. Низковольт-ные электрические машины являются одним из самых массовых изделий электротехнической промышленности и широко используются во всех без исключения отраслях. В связи с этим вопрос об их надежности и качестве изготовления становится особенно важным.
В комплексе задач, стоящих перед разработчиками изоляции электрических машин, наиболее трудной и ответственной считается выбор электроизоляционных материалов. Анализ отказов асинхронных двигателей показывает, что значительная часть их (до 90%) происходит в результате отказа обмоток [4, 17, 38, 40, 58, 59, 65, 71, 96, 100, 103]. Система изоляции электрических машин включает в себя корпусную, междуфазную, междуслойную и межвитковую изоляции. Наиболее слабым элементом изоляции обмотки является межвитковая, представляющая композицию из двух слоев эмалевой изоляции обмоточных проводов и слоя отвержденного пропиточного состава между ними. Поскольку на долю межвитковой изоляции приходится около 90% от всех отказов обмоток, можно отметить: надежная работа обмотки и всей электрической машины во многом определяется надежностью межвитковой изоляции. В свою очередь надежность системы изоляции обуславливается качеством технологии изготовления, воздействующими нагрузками, свойствами и совместимостью самих электроизоляционных материалов [17, 25, 39, 40, 57, 87, 104, 114, 134]. Под совместимостью понимается свойство многокомпонентной системы совместно работать в одной конструкции без снижения надежности.
Решению проблемы обеспечения высокой надежности систем изоляции электрических машин посвящено множество исследований [8, 24, 29, 33, 45, 106, 114, 115, 124, 130, 131, 132, 133, 134]. В этих работах рассматриваются вопросы влияния пропитки на отдельные характеристики электроизоляционных систем, таких как электрическая прочность, стойкость к растрескиванию, цементирующая способность, адгезионная способность, затронуты вопросы совместимости пропиточных материалов с изоляцией эмальпроводов, описана микроконструкция межвиткотюй изоляции обмоток электрических машин, рассмотрены факторы, влияющие на процесс дефектообразования в межвитковой изоляции, предложены методики оценки совместимости пропиточных составов с изоляцией эмальпроводов. Также установлено, что использование эмалированных проводов при неправильно подобранном пропиточном составе резко снижает срок службы и надежность полученной композиции.
К сожалению, в рассмотренной литературе отсутствует информация о четкой взаимосвязи между изученными характеристиками и различными факторами, влияющими на надежную совместную работу пропиточных составов и эмалированных проводов; предложенные методы исследования совместимости либо не учитывают эксплуатационные и технологические условия, воздействующие на систему изоляции, либо дают оценку совместимости как работоспособности системы изоляции без объяснения процесса взаимодействия между материалами; до настоящего времени не разработан какой-либо четкий критерий совместимости. Все это позволяет сделать вывод, что исследование влияния взаимодействия между отдельными компонентами электрической изоляции на ее надежность, создание единых, научно-обоснованных комплексных методов оценки совместимости этих компонентов, разработка критерия совместимости является актуальной задачей.
Цель ргботы: создание и внедрение методов оценки совместимости компонентов межвитковои изоляции обмоток низковольтных электрических машин.
Методы исследования. Поставленные в работе цели решились с использованием оригинальных и рекомендуемых различными ГОСТами методиками. Изучение влияния взаимодействия компонентов межвитковои изоляции на ее надежность - путем физического моделирования обмоток низковольтных электрических машин, имитацией технологических и эксплуатационных воздействий. При проведении экспериментов использовались применяющиеся в реальном производстве пропиточные материалы и обмоточные провода. Расчеты проводились на персональном компьютере с использованием математического пакета MathCad Professional 2000.
Научная новизна работы:
Установлена новая закономерность изменения скорости дефектообразования в низковольтной межвитковои изоляции при изменении смачивающих свойств пропиточного состава: с увеличением энергии смачивания пропиточного состава ускоряются процессы дефектообразования;
Предложен метод расчета внутренних механических напряжений в пропиточном составе с учетом его реального распределения в объеме обмотки. Использование предложенных выражений позволяет более точно оценить внутренние напряжения, как основной нагрузки, приводящей к разрушению низковольтной межвитковои изоляции;
На основании результатов исследования взаимодействия пропиточных составов и эмалированных обмоточных проводов разработаны критерии их совместимости. Предлагаемые критерии количественно оценены, учитывают величины внутренних напряжений в пропиточном составе, его адгезию к эмали провода и предел прочности эмалевой изоляции на разрыв;
4) На основе определенных в работе критериев, создана методика оценки совместимости пропиточных составов с эмалированными проводами. Предложенная методика учитывает технологические и эксплуатационные воздействия на реальные обмотки и позволяет определить совместимость компонентов для любых систем низковольтной межвитковой изоляции.
Практическая ценность работы:
Получены справочные данные по скорости дефектообразования наиболее широко применяемых систем межвитковой изоляции: "ПЭТВ+МЛ-92", "ПЭТ-155+КО-964Н", "ПЭТ-155+КО-916К", "ПЭТ-180+КО-916К", необходимые для определения показателей надежности систем изоляции обмоток.
Разработан и сведен в общую методику комплекс мероприятий, позволяющий определить влияние взаимодействия компонентов межвитковой изоляции на ее надежность. Реализация методики сокращает время и материальные затраты при выборе материалов для низковольтной межвитковой изоляции.
Результаты работы внедрены на предприятиях электротехнической промышленности и используются для оценки совместимости пропиточных составов и эмалированных обмоточных проводов.
Защищаемые положения:
1. Интенсивность образования дефектов в межвитковой изоляции определяется смачивающими свойствами пропиточного состава: с увеличением энергии смачивания пропиточного состава происходит ускорение процессов дефектообразования в межвитковой изоляции.
Совместимость пропиточных составов и эмалированных обмоточных проводов определяется величиной внутренних механических напряжений в объеме пропиточного состава и его адгезией к пленке эмали провода.
Оценка совместимости пропиточных составов и эмалированных проводов проводится с использованием разработанных критериев, в основе которых лежит сопоставление величин внутренних напряжений в пропиточном составе, прочности на разрыв эмали провода и адгезии в системе.
Апробация работы:
Основные результаты экспериментальных и теоретических исследований были доложены и обсуждались:
На III Международной конференции «Физико-технические проблемы электротехнических материалов и компонентов» г. Москва, 1999 г.
На V областной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных "Современные техника и технологии" г.Томск: ТПУ, 1999 г.
На V международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП-2000, г. Новосибирск 2000 г.
На XVI Всероссийской научно-технической конференции «Электронные и электромеханические системы и устройства», г. Томск: НПЦ «Полюс», 2000 г.
На 6-й, 7-й, 8-й и 9-й Всероссийских научно-технических конференциях «Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика», Красноярск 2000,2001, 2002 и 2003 г.
На 5th Korea-Russia International Symposium on Science and technology (KORUS 2001), г. Томск, ТПУ, 2001 г.
На международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», Томск, ТПУ, 2001г.
На третьей международной конференции «Электрическая изоляция - 2002», Санкт Петербург, 18-21 июня, 2002 г.
На VII, VIII и IX Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск, 2001, 2002 и 2003 г.
10. На международной научно-технической конференции "Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы", г. Томск, 3-5 сентября, 2003 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержащих 127 страниц текста, 12 таблиц, 42 рисунка, списка литературы, включающего в себя 135 наименований и приложения на 6 страницах.
Во введении показана актуальность проблемы, определены цели и задачи исследования, проведена краткая аннотация диссертации по главам.
В первой главе проведен обзор литературы по теме диссертации: рассмотрены и проанализированы причины отказов обмоток низковольтных электрических машин, микроконструкция межвитковой изоляции низковольтных обмоток, обозначена проблема совместимости пропиточных составов и эмалированных обмоточных проводов, проанализированы существующие методы оценки их совместимости, сформулированы конкретные задачи исследования.
Во второй главе проведен сравнительный анализ средних сроков службы различных композиций "пропиточный состав - эмалированный провод" и их физико-механических свойств: предела прочности при растяжении, внутренних механических напряжений в объеме изоляции, потери массы в процессе теплового ста- рения, адгезии между компонентами. Показано, что при увеличении величин механических напряжений в пропиточном составе и его адгезии к эмали провода ускоряются процессы разрушения межвитковой изоляции. Исследовано влияние смачивающих свойств пропиточного состава на механические характеристики системы «пропиточный состав - эмалированный провод». Отмечено: увеличение смачивающих свойств пропиточного состава повышает его цементирующую способность. Предложен расчетный метод определения величин внутренних напряжений в пропиточном составе для сотовой микроконструкции межвитковой изоляции. Проведенное сравнение расчетных данных с экспериментальными результатами показало их сходимость.
Третья глава посвящена исследованию влияния взаимодействия компонентов межвитковой изоляции на ее надежность. Оценено действие растворителей различного типа на электрическую и механическую прочность эмалевой изоляции; степень скрытия сквозных повреждений в эмалевой изоляции при пропитке в зависимости от типа дефектов и смачивающих свойств пропиточных составов; влияние физико-механических свойств компонентов межвитковой изоляции на дефектооб-разование в системе «пропиточный состав - эмалевая изоляция». Установлено: чем выше полярность растворителя, тем заметнее снижается электрическая и механическая прочность эмалевой изоляции; с увеличением энергии смачивания пропиточного состава ускоряются процессы дефектообразования в межвитковой изоляции за счет увеличения вероятности разрушения композиции «пропиточный состав - эмалевая изоляция».
В четвертой главе на основе результатов исследования взаимодействия компонентов межвитковой изоляции разработаны и количественно оценены критерии их совместимости, предложены способы их определения. Предлагаемые критерии учитывают изменение электрической прочности и дефектности эмалированных проводов до и после воздействия растворителя, а также сопоставление ве- личин внутренних напряжений в объеме пропиточного состава, его адгезии к эмали провода и прочности на разрыв эмалевой изоляции. На основе определенных критериев разработана экспресс-методика оценки совместимости пропиточных составов и эмалированных проводов.
В приложении приведены акты об использовании результатов работы, результаты определения скоростей дефектообразования для исследуемых систем межвитковой изоляции.
Взаимодействие пропиточных составов с эмалевой изоляцией обмоточного провода
При проектировании и изготовлении изоляции электрических машин наиболее трудной и ответственной является задача правильного выбора электроизоляционных материалов для межвитковои изоляции. В общем виде эта задача сводится к подбору межвитковои изоляции, состоящей из композиции эмали и пленки пропиточного состава с учетом их свойств, технологичности, стойкости к воздействующим нагрузкам, а также совместимости выбранных компонентов. Под совместимостью в этом случае следует понимать возможность эмалевой изоляции обмоточного провода и пропиточного состава совместно работать в заданных условиях эксплуатации без взаимного или одностороннего отрицательного воздействия, снижающего надежность межвитковои изоляции в це лом. Работы по оценке совместимости начались сразу же после того, как было замечено, что в некоторых случаях пропитка не дает должного эффекта и даже более того приводит к снижению срока службы обмотки [8, 25, 29, 30, 59, 94, 106, 115, 130]. Примером плохой совместимости обмоточных проводов с эмалевой изоляцией могут служить данные, приведенные в таблице 1.1. Как видно средний срок службы системы ПЭТВ+МГМ-8 больше, чем у сочетания ПЭТ-155+МГМ-8 при прочих равных условиях. Обращает внимание то, что изначально провод ПЭТ-155 имеет класс нагревостойкости выше. В то же время средний срок службы непропитанных образцов провода ПЭТ-155 почти в два раза выше, чем у образцов из провода ПЭТВ. Очевидной причиной такой несовместимости является ускорение процессов разрушения изоляции.
Взаимодействие пропиточного состава с эмальизоляцией обмоточного провода начинается сразу же в процессе пропитки, когда на обмотку подается пропиточный состав в горячем состоянии. Воздействие растворителей на пленку эмали проявляется в ее размягчении, изменении толщины, цвета, ухудшении механических и электрических свойств, растрескивании, снижении адгезии эмалевой пленки к меди провода или даже в частичном отслаивании [9, 19, 45, 87].
Влияш-з растворителя усиливается при повышении температуры и зависит от механических напряжений в пленке эмали, вызванных растяжением провода при намотке обмотки, а также в местах изгиба провода [17, 87, 119]. Дополнительная вытяжка провода приводит к появлению трещин в изоляции и уменьшению ее электрической прочности. Последнее хорошо иллюстрируется данными рис.1.2 [17]. Кроме того, в растянутом проводе пленка эмали находится в напряженном состоянии. Но, как следует из работы [31], при нагревании обмоток в процессе предварительной сушки напряжения, вызванные растяжением провода, практически полностью релаксируют. На рис. 1.3 в качестве примера представлена зависимость внутренних напряжений в пленке эмальлака от температуры при различном растяжении подложки. Таким образом, при правильном соблюдении технологического режима предварительной сушки можно пренебречь внутренними напряжениями в пленке эмальлака.
Одним из видов проявления взаимного влияния компонентов в системе изоляции являются внутренние механические напряжения гвн. Они возникают в процессе формирования слоев пропиточных составов, большой уровень которых является причиной его растрескивания.
Внутренние напряжения в пропиточном составе обусловлены несколькими факторами. После нанесения пропиточного состава начинается интенсивное испарение растворителя; в этот момент идет быстрый рост величины внутренних механических напряжений, стремящихся сократить размер пленки по всему объему [16, 61, 67, 69, 107, 108]. Кроме испарения растворителя причиной изменения объема полимера являются и другие процессы, связанные с уменьшением объема: химическая усадка, сопутствующая образованию химических связей, выделение побочных продуктов при химических реакциях, улетучивание газов и низкомолекулярных примесей. Напряжения, возникающие в результате перечисленных процессов, могут быть названы собственными. Это, по существу, остаточные напряжения первого рода; они являются
Влияние термодинамических параметров на формирование адгезионного контакта между пропиточным составом и эмалевой изоляцией обмоточного провода
В процессе пропитки в обмотку электрической машины подается пропиточный состав в жидком состоянии. Во время сушки происходит его отверждение, т.е. осуществляется переход пропиточного состава из одного агрегатного состояния (жидкое) в другое (твердое). В результате этих технологических процессов образуется единая система межвитковой изоляции, компоненты которой связаны между собой силами адгезии.
Адгезия - это сложный комплекс физико-химических явлений, в основе которого ле:;;ит молекулярное взаимодействие приведенных в контакт разнородных материалов. Это взаимодействие вызывает уменьшение свободной энергии системы. Оперируя такими термодинамическими понятиями, как свободная поверхностная энергия и поверхностное натяжение, можно описать этапы адгезионного взаимодействия [6, 47,49, 61, 62, 92, 111].
В случае формирования пленки адгезива из слоя жидкости происходят следующие процессы: смачивание и растекание жидкости; образование площади контакта между двумя фазами; возникновение адгезионной связи. В результате отверждения пропиточного состава образуется сопряженная система меж-витковой изоляции, компоненты которой связаны между собой силами адгезии, и вместо границы раздела жидкость - твердое тело образуется граница раздела твердое тело - твердое тело, что приводит к изменению свойств адгезива и поверхностного натяжения на границе между адгезивом и субстратом [16,46, 62].
Работу адгезии WA В общем виде можно представить следующим образом [61]: где W - средняя энергия единицы связи, определяющая адгезию; N - число таких связей в расчете на единицу площади адгезива и субстрата.
Соотношение (2.3) является основополагающим для выяснения причин адгезии. Адгезия обусловлена, прежде всего, различными видами взаимодействий между молекулами или атомами. В случае адгезии полимеров чаще всего имеет место взаимодействие электрически нейтральных объектов, при котором возникают разновидности Ван-дер-Ваальсовых сил [16]. С учетом этого выражение (2.3) примет вид: где Wj и N,- соответственно средняя энергия и число связей /-го типа, определяющих адгезию.
Как видно из (2.4), чем больше число связей Nh тем больше адгезия. В свою очередь, число связей определяется площадью фактического контакта Sucm между компонентами межвитковой изоляции. Величина этой площади обуславливается процессом формирования пленок пропиточного состава, а также зависит от свойств адгезива и субстрата (наличие и размеры неровностей поверхности субстрата; процесс заполнения выемов поверхности субстрата в зависимости от температурно-временных характеристик и др.). играет смачивание и растекание пропиточного состава. При формировании пленки из жидкого адгезива смачивание спосоиствует формированию зоны контакта между адгезивом и субстра-том (в данном случае между пропиточным составом и эмалевой изоляцией обмоточного провода). Кроме того, смачивание должно обеспечивать вытеснение воздуха из зоны контакта и заполнение выемов субстрата. Количественно величина смачивания характеризуется краевым углом смачивания в или энергией смачивания Ws (рис.2.3) [62].
Заполнение выемов, микронеровностей на поверхности эмалевой изоляции зависит от вязкости пропиточного состава и давления. Влияние внешнего давления и вязкости адгезива на п оцесс заполнения выемов шероховатой по-верхности видно из следующего выражения [61]: где Р - давление окружающей среды; г- время контакта; г/ - вязкость адгезива; h/d- отношение, глубины выема И к его ширине af (рис.2.4).
Площадь фактического контакта пропорциональна глубине выемов, а следовательно, и отношению [ /„ 1 В свою очередь, адгезионная прочность пропорциональна истинной поверхности контакта Sucm и должна быть пропорциональна вг-личине f т/ I , с учетом размеров микронеровностей - глубины И и ширины d.
Учитывая перечисленные факторы, адгезию между пропиточным составом и эмалевой изоляцией можно представить как:
При пропитке большого числа обмоток одного типа электрической машины величины Т, Р, t, г, как правило, неизменны, т.к. регламентируются нормативно - технической документацией на изделие, либо обусловлены технологическими режимами. В этом случае выражение (2.6) можно написать в виде:
Величина Sucm, как было показано выше, главным образом определяется смачивающими свойствами пропиточного состава. Помимо прочего адгезионная прочность характеризуется временной зависимостью истинной поверхностью контакта Sucm или числом связей, а также температури -временной зависимостью прочности [16, 62, 95,111]: ленной на разрыв адгезионного соединения.
Для межвитковой изоляции силой, разрушающей адгезионную связь между ее компонентами, являются внутренние механические напряжения. Таким образом, адгезионную прочность можно представить в случае микрореологического формирования Sucm (с учетом внутренних механических напряжений) как:
Исследование взаимодействия пропиточных составов с эмалевой изоляцией обмоточных проводов в процессе изготовления обмоток
В процессе пропитки в обмотку электрической машины подается пропиточный состав в жидком состоянии. Во время сушки происходит его отверждение, т.е. осуществляется переход пропиточного состава из одного агрегатного состояния (жидкое) в другое (твердое). В результате этих технологических процессов образуется единая система межвитковой изоляции, компоненты которой связаны между собой силами адгезии.
Адгезия - это сложный комплекс физико-химических явлений, в основе которого ле:;;ит молекулярное взаимодействие приведенных в контакт разнородных материалов. Это взаимодействие вызывает уменьшение свободной энергии системы. Оперируя такими термодинамическими понятиями, как свободная поверхностная энергия и поверхностное натяжение, можно описать этапы адгезионного взаимодействия [6, 47,49, 61, 62, 92, 111].
В случае формирования пленки адгезива из слоя жидкости происходят следующие процессы: смачивание и растекание жидкости; образование площади контакта между двумя фазами; возникновение адгезионной связи. В результате отверждения пропиточного состава образуется сопряженная система меж-витковой изоляции, компоненты которой связаны между собой силами адгезии, и вместо границы раздела жидкость - твердое тело образуется граница раздела твердое тело - твердое тело, что приводит к изменению свойств адгезива и поверхностного натяжения на границе между адгезивом и субстратом [16,46, 62].
Работу адгезии WA В общем виде можно представить следующим образом [61]: где W - средняя энергия единицы связи, определяющая адгезию; N - число таких связей в расчете на единицу площади адгезива и субстрата.
Соотношение (2.3) является основополагающим для выяснения причин адгезии. Адгезия обусловлена, прежде всего, различными видами взаимодействий между молекулами или атомами. В случае адгезии полимеров чаще всего имеет место взаимодействие электрически нейтральных объектов, при котором возникают разновидности Ван-дер-Ваальсовых сил [16]. С учетом этого выражение (2.3) примет вид: где Wj и N,- соответственно средняя энергия и число связей /-го типа, определяющих адгезию.
Как видно из (2.4), чем больше число связей Nh тем больше адгезия. В свою очередь, число связей определяется площадью фактического контакта Sucm между компонентами межвитковой изоляции. Величина этой площади обуславливается процессом формирования пленок пропиточного состава, а также зависит от свойств адгезива и субстрата (наличие и размеры неровностей поверхности субстрата; процесс заполнения выемов поверхности субстрата в зависимости от температурно-временных характеристик и др.). играет смачивание и растекание пропиточного состава. При формировании пленки из жидкого адгезива смачивание спосоиствует формированию зоны контакта между адгезивом и субстра-том (в данном случае между пропиточным составом и эмалевой изоляцией обмоточного провода). Кроме того, смачивание должно обеспечивать вытеснение воздуха из зоны контакта и заполнение выемов субстрата. Количественно величина смачивания характеризуется краевым углом смачивания в или энергией смачивания Ws (рис.2.3) [62].
Заполнение выемов, микронеровностей на поверхности эмалевой изоляции зависит от вязкости пропиточного состава и давления. Влияние внешнего давления и вязкости адгезива на п оцесс заполнения выемов шероховатой по-верхности видно из следующего выражения [61]: где Р - давление окружающей среды; г- время контакта; г/ - вязкость адгезива; h/d- отношение, глубины выема И к его ширине af (рис.2.4).
Площадь фактического контакта пропорциональна глубине выемов, а следовательно, и отношению [ /„ 1 В свою очередь, адгезионная прочность пропорциональна истинной поверхности контакта Sucm и должна быть пропорциональна вг-личине f т/ I , с учетом размеров микронеровностей - глубины И и ширины d. Учитывая перечисленные факторы, адгезию между пропиточным составом и эмалевой изоляцией можно представить как: При пропитке большого числа обмоток одного типа электрической машины величины Т, Р, t, г, как правило, неизменны, т.к. регламентируются нормативно - технической документацией на изделие, либо обусловлены технологическими режимами. В этом случае выражение (2.6) можно написать в виде: Величина Sucm, как было показано выше, главным образом определяется смачивающими свойствами пропиточного состава. Помимо прочего адгезионная прочность характеризуется временной зависимостью истинной поверхностью контакта Sucm или числом связей, а также температури -временной зависимостью прочности [16, 62, 95,111]: ленной на разрыв адгезионного соединения.
Для межвитковой изоляции силой, разрушающей адгезионную связь между ее компонентами, являются внутренние механические напряжения. Таким образом, адгезионную прочность можно представить в случае микрореологического формирования Sucm (с учетом внутренних механических напряжений) как:
Разработка критериев эксплуатационной совместимости пропиточных составов с эмалированными проводами
В процессе эксплуатации надежная совместная работа пропиточных составов и эмалированных проводов, как было показано в главе 3, главным образом, определяется величинами внутренних механических напряжений в пропиточном составе и адгезией между этими компонентами. Высокий уровень внутренних механических напряжений приводит к растрескиванию пропиточного состава с возможным разрушением всей межвитковои изоляции. Большая адгезия между пропиточным составом и эмалевой изоляцией способствует образованию сквозного дефекта. В то же время слишком малая адгезия может привести к потере цементации витков обмотки и их ускоренному износу под действием вибрационных нагрузок [8, 29, 52, 54, 55, 80]. Т.е. оптимальная адгезия про-питочного состава Аопт к эмали провода должна быть в пределах:
В современном технологическом производстве изготовления низковольтных электрических машин обязательно проводится оценка пригодности электроизоляционных материалов к существующему способу производства и к кон кретному изделию. Не составляет исключения и пропиточные составы. Они контролируются по ряду параметров, в том числе и адгезии. Оценка адгезии проводится путем измерения цементирующей способности пропиточного состава. Если величина цементирующей способности неудовлетворительная, пропиточный состав отбраковывается. Следовательно, можно предположить, что применение пропиточных составов с адгезией меньше Amin маловероятно.
Верхний предел допустимой адгезии между компонентами межвитковой изоляции с учетом величин внутренних механических напряжений в пропиточ-ном овн составе можно представить как:
Известно, что один из механизмов торможения трещин основан на применении поперек направления движения трещины границы раздела фаз с умеренной адгезией. На поверхности раздела с низким сопротивлением сдвигу напряжения в вершине трещины успевают релаксировать, что неизбежно приводит к торможению или полной остановке трещины. К этому механизму весьма близок механизм Гордона и Кука [125], который реализуется в гетерогенном материале с-умеренной прочностью связи между компонентами. Если ослабленная граница раздела расположена нормально к направлению движения трещины и впереди ее, то у магистральной трещины, подошедшей к границе раздела, вершина притупляется. Трещина останавливается, так как для ее дальнейшего продвижения требуется значительно большие усилия. В результате повышается прочность материала. Согласно механизму Гордона и Кука [125] разрушение гетерогенных материалов с умеренной прочностью связи между компонентами происходит следующим образом. Перед растущей трещиной перемещается напряженная зона, в которой наряду с напряжениями, перпендикулярными поверхности трещины (сті), возникают напряжения, параллельные (а ) поверхности трещины (рис. 4.2). Значения последних возрастает с удалением от вершины трещины и достигает максимума на определенном расстоя ний от вершины трещины. Независимо от формы трещины и способа ее нагру-жения отношение максимального значения (о ) к максимальному (с±) составляет около 1/5. Когда трещина приближается к поверхности раздела, расположенной перпендикулярно к направлению ее движения, первой эту поверхность достигает зона растяжения. Если прочность связи между компонентами на поверхности раздела меньше 1/5 когезионной прочности материала, перед трещиной происходит нарушение сплошности адгезионного контакта [6, 11, 12, 46, 64]. В результате этого происходит притупление вершины трещины и ее остановка.
Этот результат Кука и Гордона имеет фундаментальное значение и справедлив для любых трещин, возникающих в растянутом материале. Когда трещина приближается к поверхности раздела, расположенной перпендикулярно к направлению ее движения, первой эту поверхность достигает зона растяжения. Если прочность связи между фазами на поверхности раздела меньше 1/5 когезионной прочности материала, перед первичной трещиной возникает вторичная, с которой затем первичная сливается [6].
Механизм торможения трещин в комбинированных материалах, развитый Куком и Гордоном, может быть дополнен более новыми данными о микромеханике разрушения, полученными в работах Журкова и его школы. В [60] показано, что у вершины растущей трещины имеется облако зародышевых микро трещин, которые перемещаются вместе с макротрещиной, автоматически под-держивая у вершины растущей трещины высокую концентрацию напряжений. Распространение магистральной трещины контролируется скоростью регенерации и коалесценции первичных субмикротрещин [60, 107]. Если в зоне концентрации напряжений перед вершиной растущей трещины окажется граница раздела фаз, ориентированная благоприятным образом, и обладающая умеренной прочностью связи, то коалесценсия первичных микротрещин в этой зоне приведет к микроотслаиванию и дальнейшее продвижение магистральной трещины приостановится.
При разрушении межвитковои изоляции ловушкой для трещины, возникшей в слое пропиточного состава, может стать граница раздела фаз "пропиточный состав - эмалевая изоляция", при условии, что адгазионная прочность на этой границе не превышает некоторого значения. Таким пределом, согласно рыв.
Таким образом, надежная совместная работа пропиточных составов и эмалированных обмоточных проводов будет обеспечена при сравнительно невысоком уровне внутренних напряжений и адгезии между компонентами изоляции. В этом случае оптимальную с точки зрения торможения процессов разрушения величину адгезии между компонентами межвитковои изоляции можно представить как:
В качестве критерия эксплуатационной совместимости можно принять отношения (4.5) - (4.6), определение которых позволяет оценить возможность использования пропиточных составов и эмалированных проводов с учетом их совместимости без ускоренного дефектообразования в межвитковои изоляции.
