CC BY
69
УДК 621.315.6(088.8)
Г.В. Смирнов, Д.Г. Смирнов
Пропитка обмоток электрических машин магнитодиэлектрическим композитом с ультрадисперсным никель-цинковым наполнителем
Приведены результаты исследования технологической операции пропитки обмоток компаундом, содержащим ультрадисперсный никель-цинковый наполнитель. Проведен сравнительный анализ качества традиционной пропитки компаундом КП-34 с пропиткой компаундом КП-34 с никель-цинковым ультрадисперсным наполнителем. Оценку качества пропитки осуществляли по коэффициенту пропитки, показывающему степень насыщенности полостей обмотки пропиточным составом. При проведении экспериментов был использован полный факторный эксперимент.
Ключевые слова: планирование эксперимента, ультрадисперсные порошки, магнитно-композиционные пропитки, намотки, теплопроводность, коэффициент пропитки. ао1: 10.21293/1818-0442-2016-19-2-99-102
Самым ненадежным узлом электрической машины является изоляция обмоток электрических машин. Низкая надежность изоляции обмоток электрических машин во многом зависит от качества изоляции обмоточного провода, от намоточного оборудования и технологии пропитки. Именно в процессе пропитки обмоток пленкой пропиточного состава скрываются дефекты в витковой, межфазной и корпусной изоляции [1]. В результате пропитки повышаются не только электроизоляционные свойства обмоток, но и теплопроводность обмоток, их влагостойкость, монолитность и другие характеристики, повышающие надежность изоляции обмоток.
Все эти качественные изменения свойств обмотки после пропитки связаны с физическими свойствами самого пропиточного состава, а также со степенью заполнения указанным составом межвит-ковых полостей обмотки. Степень заполнения пропиточным составом полостей обмотки оценивают коэффициентом пропитки
к - т.
■^пр;
т0
(1)
где т^ - масса сухого остатка пропиточного состава, оставшегося в полостях /-й обмотки после её пропитки и сушки; т0= р¥0 - предельная масса отвер-жденного пропиточного состава, которую можно разместить при 100% заполнении полостей обмотки; р - плотность отверждённого пропиточного состава; У0 - объём полостей в обмотке. Коэффициент пропитки, приведенный в формуле (1), используют не только для индивидуальной оценки качества про-
питки каждой /-й обмотки, но и для оценки качества операции пропитки обмоток в целом [2]. Наиболее точный способ определения коэффициента пропитки из известных в настоящее время способов описан в работах [3, 4].
Методика и результаты эксперимента
В работе [5] рассмотрена технология пропитки обмоток магнитодиэлектрическим компаундом, в пропиточный состав которого наряду с компаундом КП-34 входит ультрадисперсный порошок магнито-мягкого никель-цинкового наполнителя марки М400НН. Оптимальным весовым соотношением магнитодиэлектрического состава обладала смесь, состоящая из 70 вес. % компаунда КП-34 и 30 вес. % наполнителя М400НН. Применение указанного маг-нитодиэлектрического состава для пропитки обмоток при использовании токовой сушки позволяет предотвратить вытекание пропиточного состава в процессе его компаундирования и тем самым существенно повысить значение Кпр/. Этот факт был подтвержден экспериментально. Опыты проводились с использованием теории планирования экспериментов. В рассматриваемом случае для планирования экспериментов использовались п = 2 фактора: доза пропиточного состава V и напряжение предварительного подогрева, подаваемого на обмотку перед пропиткой и.
В соответствии с изложенными соображениями были выбраны уровни варьирования основных воздействующих факторов, значения которых приведены в табл. 1.
Основные факторы и уровни их варьирования
Таблица 1
Фактор Уровни Действительное обозначение Кодовое обозначение Интервал варьирования
+1 0 -1
Доза жидкого компаунда, мл 103 89 75 V X 14
Напряжение предварительного нагрева, В 47 44 41 и 3
В качестве функции отклика был взят коэффициент пропитки, определяемый по выражению (1). В опытах использовались статоры двигателей 4АМ80А4. Пропитка в экспериментах проводилась на заводской установке Ю-1 двумя пропиточными
составами: компаундом КП-34 и смесью компаунда КП-34 с ультрадисперсным никель-цинковым порошком марки М400НН. Так как в обоих случаях функцию отклика будем находить в виде полинома второй степени, то все полученные результаты для
пропитки смесью компаунда с магнитномягким никель-цинковым ультрадисперсным порошком, будем обозначать звездочкой.
Обозначим через Кщ, =У и Кпр =У* соответствующую функцию отклика. В общем случае квадратичный полином, описывающий зависимость целевой функции от входных параметров, имеет вид
У = Ь0 + ¿1Х1 + ¿2 Х2 + ¿11 х2 + ¿22 *2 + ¿12 Х1 х2 , (2) у * = ¿0 + ¿* Х! + ¿2 Х2 + Ь1*1х12 + ¿2*2 Х2 + ¿1*2 Х1Х2 , (3)
где ¿0, ¿1, ¿2, ¿11, ¿22, ¿12, ¿ 0, ¿1, ¿ 2, ¿11, ¿ 22, ¿12 -коэффициенты уравнений (2) и (3) регрессии; Х1, х2 -кодированные переменные, найденные по формулам
К-Ко
т7 UMax + Umin
U0 —-
ди — ^мах ^min
Xi —
*2 —
Д¥ U-Up ди
(4)
(5)
где
V — VMax ^ Vmin д v — VMax Vmin
2 2 ¥0, и0 - центр плана; Ктах, итах - максимальный уровень фактора; ¥тт, ит1П - минимальный уровень фактора; А V, А и - интервал варьирования.
Максимальные и минимальные уровни, центр плана и интервал варьирования в натуральном масштабе и в безразмерных кодированных величинах указаны в табл. 1.
Для получения коэффициентов квадратичного полинома применяли композиционный план второго порядка. Матрица плана и результаты его реализации для коэффициента пропитки приведены в табл. 2.
В табл. 2 через У1, У2, У3, У1 , У2, У3 обозначены коэффициенты пропитки каждой из трех фаз обмотки, соединенных звездой, которые определялись по способу [3] и рассматривались в качестве т = 3 параллельных опытов. Опыты проводились следующим образом. На непропитанные обмотки подавалось напряжение предварительного разогрева, величина которого указана в табл. 1.
Таблица 2
Матрица плана и результаты его реализации
Номер опыта Варьируемые факторы Коэффициент пропитки
Пропитка компаундом КП-34 Пропитка магнитодиэлектрическим составом 70 вес. % КП-34+30 вес. % 400 НН
х2 Y1 Y2 Y3 Y) Y* Y2* Y*
1 -1 -1 0,357 0,34 0,355 0,351 0,762 0,754 0,734 0,750
2 -1 +1 0,33 0,338 0,37 0,346 0,753 0,742 0,737 0,744
3 +1 -1 0,47 0,432 0,441 0,448 0,940 0,946 0,959 0,948
4 +1 +1 0,48 0,471 0,472 0,474 0,966 0,976 0,980 0,974
5 -1 0 0,361 0,362 0,388 0,370 0,783 0,789 0,795 0,789
6 +1 0 0,471 0,487 0,47 0,476 0,968 0,976 0,966 0,970
7 0 -1 0,415 0,42 0,431 0,422 0,876 0,880 0,875 0,877
8 0 +1 0,426 0,428 0,419 0,424 0,888 0,889 0,898 0,892
9 0 0 0,419 0,433 0,437 0,430 0,926 0,906 0,897 0,910
По истечении строго выверенного времени разогрева, которое автоматически поддерживалось в установке, греющее напряжение отключали и осуществляли пропитку обмоток порцией лака, указанной в матрице. По завершении пропитки через обмотку пропускали греющий ток путем подачи на неё стабильного греющего напряжения, величина которого автоматически устанавливалась на установке. Расчетная часть
По результатам эксперимента, приведенным в табл. 2 рассчитывались коэффициенты уравнений регрессий (2) и (3) по известным формулам.
Расчеты осуществлялись с использованием программы Excel. Результаты расчетов приведены ниже. Для уравнения (2): ¿о =0,4413; b1 = 0,552; b2 = 0,038; b12 = 0,0078; b11 = -0,183; b22 = -0,183. Для уравнения (3):
b0 = 0,913; b1 = 0,102; b2 = 0,0058; b12 = 0,008; b11= -0,031; b22 = -0,0285.
Однородность дисперсий оценивалась по критерию Кохрена в следующей последовательности.
Из параллельных опытов определялись выборочные дисперсии:
S2 —
m—3
z (y,u- у и)2
и—1
m-1
(6)
N
Находилась сумма дисперсий ZS и состав-
i—1
лялось отношение
S 2
g —_m
Gmax _ n
(7)
i—1
где £тах - максимальное значение выборочной дисперсии. Если дисперсии однородны, то
Gmax < Ga (N,m-1),
(8)
где Оа(Ы, т - 1) - табулированное значение критерия Кохрена при уровне значимости а. В рассматри-
2
2
ваемом нами случае расчетные значения критерия Кохрена были равны соответственно Отах= 0,307 и
^пах = 0,324. Табличное значение критерия Кохрена ва(Щ, т-1) = 0,4775.
Так как соотношение (8) выполняется для обоих рассматриваемых случаев, то выборочные дисперсии однородны. Дисперсия воспроизводимости в случае однородных дисперсий рассчитывается по формуле
N ;-1
5,
воспр '
N
(9)
Число степеней свободы дисперсии / равно / = Щ(т - 1). Дисперсия воспроизводимости необходима для оценки значимости коэффициентов регрессий (2) и (3) и их адекватности. Величины дисперсий воспроизводимости были равны соответственно:
^ Воспр =0,000162, Воспр =0,00083. Значимость коэффициентов в уравнениях регрессий оценивалась по критерию Стьюдента. Для этого рассчитывалось среднестатистическое отклонение каждого из коэффициентов по формулам:
5Ь0 -
с5
воспр
т
Яъг
5
воспр
5Ъ,к=
2 + 2п ) _ '-'воспр
1
т х 2п)
5ЪЦ 5воспр 1
где с:=-
(2 + 2п х п) ■>п+1
с2=-
[ п(п - 3) + 3]2 п + 2
-,п+1
(10)
(11)
(12)
(13) 4.
(п -1)" х 2™ 4 (п -1)" х 2"
Среднеквадратические отклонения Ъ коэффициентов находили по выражениям (10)-(13). Расчетные значения критериев Стьюдента для коэффициентов регрессий (2) и (3) приведены ниже:
М- Л1И1=53,36; ш-]Ь1^-^,0181=2,86; 0 БЬ0 0,00827 5Ь11 0,0064
^1^-^^078=2 1^-0,0552 =18
12 5Ь12 0,00369 1 БЬ1 0,003
. 0,0038 1 26 . |Ь221 --1-- =1,26; --!-!-:
2 5ь2 0,003 22 Бь22
0,0183 0,0064
=2,86.
¿0-
¿2-
5Ь0 и*
Ь2
5
Ь2
0,913 0,0187
0,0058 0,0068
= 48,8; ¿* -
ЬЪ
=0,85; гп-
5Ь1
|Ь*1
0,102 0,0068
=15;
Ь11
0,031 0,014
=2,2;
¿22
22
0,0285 0,014
=2,1; ¿12-
Ь12
0,008 0,00838
=0,96;
5Ь22 0,014 5ь12
Табличное значение критерия Стьюдента для числа степеней свободы/ = Щ(т - 1)= 9х 2 = 18 и уровня значимости а = 0,05 равно 2,101.
Все коэффициенты, для которых расчетное значение критерия Стьюдента меньше, чем табличное значение этого критерия, исключаем из уравнений (2) и (3) и получаем:
У-0,4413 +0,0552х1 -0,0183х2 -0,0183*2 +0,0078х1х2 ,
(14)
(15)
У * -0,913 + 0,102х1 - 0,031х2 - 0,0285x2 .
Адекватность уравнений (14) и (15) оценивали по критерию Фишера. Для этого определяли оста-
2
точную дисперсию 5 ост по формуле
N
Кур - у )2
5 2 = /-1 5 ост
N -1
где ур - расчетное значение функции отклика (ко-эффициента пропитки) по формуле (14) или (15) в каждой 1-й точке плана; I - число значимых коэффициентов в уравнении (14) или (15). Величины остаточных дисперсий были равны 5 ост = 0,0000332 и
5* ост = 0,00027284 соответственно. Расчетные значения критерия Фишера определялись по формуле
-<2
Е =
50
5 2
и были равны соответственно Е = 0,205
^воспр
и Е* = 0,324. Табличное значение критерия Фишера для уровня значимости а = 0,5 и степеней свободы / = N -1, /2 = Щт - 1) равны соответственно Еа (/1 = 4, /2 = 18) = 2,77; Еа / = 5, /2 = 18) = 2,93. Так как в обоих случаях расчетные значения критерия Фишера меньше табличных, то уравнения (14) и (15) адекватно описывают эксперимент. Обсуждение результатов Таким образом, в результате проделанной работы было установлено, что предлагаемая технология пропитки обмоток статоров электродвигателей смесью компаунда КП-34 с ультрадисперсным магнит-номягким никель-цинковым наполнителем марки 400НН имеет существенные преимущества по сравнению с типовой пропиткой чистым компаундом КП-34. Это преимущество заключается в том, что
основной показатель качества - коэффициент про*
питки обмоток К пр по предлагаемой технологии -
почти в 2 раза превышает коэффициент пропитки Кпр, достигаемый при типовой пропитке. Это обусловлено тем, что при подаче на обмотку сразу после пропитки греющего тока компаунд из обмоток, пропитанных по тепловой технологии, разогревается, вязкость его снижается, и он интенсивно начинает вытекать из обмотки. При подаче же на обмотки,
Ъ
пропитанные смесью ультрадисперсного никель-цинкового порошка, такого же по величине греющего тока происходит определенная ориентация частиц указанного магнитного ультрадисперсного порошка, и они перекрывают межвитковые полости в обмотке, тем самым препятствуя вытеканию пропиточного состава из неё.
Заключение
В результате проведенных опытов были получены адекватные уравнения, связывающие коэффициент пропитки с величиной напряжения подогрева и дозой пропиточного состава, подаваемого на лобовые части обмотки. Как следует из уравнений (14) и (15), наиболее сильное влияние на коэффициенты пропитки оказывает доза пропиточного состава, тогда как напряжение предварительного подогрева обмоток оказывает менее заметное влияние. Наилучший результат, как это следует из табл. 2, был получен при дозе пропиточного состава V = 103 мл и и = 41 В в опыте 6. При указанных сочетаниях параметров коэффициент пропитки смесью компаунда КП-34 с ультрадисперсным никель-цинковым порошком был более чем в 2 раза выше коэффициента пропитки компаундом КП-34. Предлагаемый способ пропитки компаундом КП-34 с ультрадисперсным никель-цинковым порошком может быть использован для любых намоточных изделий, применяемых в электротехнике и радиоэлектронике: в трансформаторах, микродвигателях, сельсинах, индуктивных элементах.
Литература
1. Смирнов Г.В. Применение магнитодиэлектриче-ского композита на основе ультрадисперсного порошка никель-цинковых частиц для ресурсосберегающей технологии пропитки обмоток электрических машин / Г.В. Смирнов, О. Л. Хасанов, Д.Г. Смирнов, В.В. Полиса-дова, М.С. Петюкевич, З.Г. Бикбаева // Изв. Том. политех. ун-та. Инжиниринг георесурсов. - 2015. - Т. 326, № 11. -С. 106-117.
2. Смирнов Г.В Тепловые свойства магнитодиэлек-трических композиционных составов на основе компаунда КП-34 и ультрадисперсного никель-цинкового порошка / Г.В. Смирнов, Л.О. Хасанов, В.В. Полисадова, М.С. Пе-
тюкевич, С.А. Понамарева // Изв. вузов. Физика. - 2015. -Т. 58, № 6/2. - С. 291-296.
3. Пат. 2568144 РФ, МПК О 01 N 27 /00. Способ контроля качества пропитки обмоток электрических машин / Г.В. Смирнов (РФ), Д.Г. Смирнов (РФ). - № 2014108633/28; заявл. 05.03.14; опубл. 10.11.15, Бюл. № 31. - 15 с.
4. Смирнов Г.В. Электропропитка обмоток электротехнических изделий // Г.В. Смирнов, С.А. Волков // Доклады Том. гос. ун-та систем управления и радиоэлектроники. - 2004. - № 2(10). - С. 107-111.
5. Магнитодиэлектрический компаунд с добавками ультрадисперсного порошка 2п-№ для улучшения свойств обмоток электрических изделий / Г. В. Смирнов, Л.О. Хасанов, Д. Г. Смирнов и др. // Изв. вузов. Физика. -2015. - Т. 58, № 6/2. - С. 296-301.
Смирнов Геннадий Васильевич
Д-р техн. наук, профессор,
директор НИИ электронной технологической аппаратуры и систем связи (НИИ ЭТОСС) ТУСУРа Тел.: +7-913-829-44-47 Эл. почта: Smirnov@main.tusur.ru
Смирнов Дмитрий Геннадьевич
Канд. техн. наук, инженер НИИ ЭТОСС
Тел.: +7-952-182-81-25
Эл. почта: Smirnov@main.tusur.ru
Smirnov G.V., Smirnov D.G. Impregnation of electrical machine windings with magnetodisc parametric composite containing ultrafine nickel-zinc filler
The results of the study on impregnation of the windings with a compound containing ultrafine Nickel-zinc filler are described. A comparative analysis of the quality of traditional impregnating compound KP-34, with the impregnating compound KP-34 with Nickel-zinc ultrafine filler is carried out. The assessment of the quality of the impregnation was performed by the impregnation ratio showing the degree of saturation of the cavities winding with impregnating composition. A complete factorial experiment was used. Keywords: ultradispersed powders, magnetic composite, impregnating, winding, thermal conductivity, coefficient of impregnation.
